Применение электротехнологических оптико-электронных способов в хлебопекарном производстве для определения качества пшеничной муки и концентрации мучной пыли в воздухе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение электротехнологических оптико-электронных способов в хлебопекарном производстве для определения качества пшеничной муки и концентрации мучной пыли в воздухе

Лебедев Д.В., Рожков Е.А., Леонов В.А., Мальнев И.Д.

Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т.Трубилина

Аннотация

Повышение качества муки и поддержание определенной концентрации мучной пыли в помещении являются важными проблемами при проектировании и модернизации хлебопекарного предприятия, потому что от решения этих проблем напрямую зависят эффективность и качество производства хлеба. Требования к качеству муки и запыленности помещения хлебопекарного предприятия определяются ГОСТами «Мука пшеничная. Общие технические условия», «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Именно поэтому необходимо разработать технические решения для устранения вышеописанных проблем.

В настоящее время существует большое количество технических устройств для сортировки муки и для определения концентрации мучной пыли, но в большинстве своем они являются электромеханическими устройствами, которые должны управляться оператором-человеком. Поэтому и возникает вопрос о необходимости автоматизации данных электротехнологических процессов.

Наиболее совершенным и эффективным способом решения вышеописанных проблем является применение оптико-электронных методов контроля. Оптико-электронный контроль достигается посредством установки фотокамер, которые получают изображения массы муки и воздуха в помещении. В данной статье рассматри?ваются основные технические способы реализации оптико-электронного контроля качества муки и концентрации мучной пыли в воздухе.

Ключевые с?лова: МУКА, О?ПТИКО-ЭЛЕКТ?РОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ, АНАЛИЗ ИЗОБРАЖЕНИЙ, ПШЕНИЦА, ПАРАЗИТЫ, МУЧНАЯ ПЫЛЬ, ФОТОКАМЕРА, СПОРЫ БАКТЕРИЙ

Качество хлебобулочных изделий и методы определения качества муки имеют важное значение. Определение качества хлебобулочных изделий, занимающих значительное место в пищевой промышленности и питании, необходимо с точки зрения особенностей продукта и экономического подхода. Пшеничная мука, которая составляет большую часть рынка в России, подвержена действию внешних факторов, к которым можно отнести условия хранения, качество зерна, из которого производится мука, наличие спор бактерий, жуков-паразитов и нежелательных примесей. Именно поэтому необходимо обеспечить на хлебопекарном производстве выскоэффективный контроль качества муки и состояния воздуха в помещении по следующим параметрам.

1. Наличие в мучной массе жуков-паразитов (жук-хрущак, жук-мукоед, хлебный точильщик).

2. Равномерность цвета мучной массы.

3. Наличие спор бактерий, вызывающих развитие грибковых болезней.

4. Предельная концентрация мучной пыли в воздухе помещений хлебопекарного предприятия.

Существуют различные системы для определения и контроля вышеописанных параметров: механические, пневматические, электромагнитные и другие. В ходе анализа существующих технических устройств для автоматического контроля качества муки и концентрации пыли в воздухе было установлено, что наиболее современным, экономичным, эффективным и универсальным методом является применение оптико-электронного контроля на всех этапах хлебопекарного производства [1]. Рассмотрим электротехнологические оптико-электронные способы, позволяющие автоматизировать процесс оценки качества пшеничной муки и определения концентрации мучной пыли в воздухе помещения.

Насекомые-вредители представляют огромную опасность для сельского хозяйства всех стран мира. Во всем мире ведется постоянная борьба с насекомыми-вредителями как в поле (полевые вредители), так и при хранении продукции (амбарные вредители, вредители злаков) [2].

Основными вредителями муки в хранилищах и продуктов его переработки в Российской Федерации и странах СНГ являются жуки (отряд Coleoptera), хлебные, или мучные, клещи (Tyroglyphoidea, или Acaroidea) и бабочки (отряд Lepidoptera), представленные на рис. 1.

Рис. 1. Вредители мучные:

а) хрущак мучной малый, б) мукоед суринамский, в) точильщик хлебный

Для эффективной борьбы с данными паразитами необходимо проанализировать их с помощью оптических камер и определить их параметры на полученном изображении с помощью компьютера (рис. 2).

При контроле качества муки оптико-эле?ктронным с?пособом воз?никает необ?ходимость обр?аботки получе?нного изобр?ажения мучной массы для его д?альнейшего а?нализа с целью определения параметров работы автоматической системы сортировки продукта [3]. Так как размеры паразитов весьма малы, то мы применили цифровой микроскоп для детального анализа изображения паразитов (рис. 3).

Рис. 2. Изображение паразитов в мучной массе, полученное оптической камерой

Рис. 3. Изображение паразитов в мучной массе, полученное цифровым микроскопом

Необходимым условием при определении качества муки также является анализ мучной массы на предмет наличия спор бактерий и грибов, которые могут распространиться на всю сельскохозяйственную продукцию, находящуюся в непосредственной близости с пораженной спорами мукой [4].

На современных мукомольных предприятиях, имеющих хорошее оборудование и высокую культуру производства, выполняется комплекс мероприятий по борьбе со спорами. Однако даже такие предприятия не могут гарантировать, что в хлебе, выпеченном из их муки, не разовьются болезни, связанные с грибками и бактериями (рис. 4). Основная ответственность за соблюдение мероприятий по защите хлеба от поражения спорами ложится на плечи хлебопекарных предприятий. Для того, чтобы предотвратить развитие грибковых заболеваний, необходимо исключить условия, способствующие их развитию, а именно: выделить параметры, по которым можно выстроить автоматическую систему контроля и сортировки мучной массы [5].

В настоящее время зараженность муки определяется на основе ГОСТ 27559-87: «Мука и отруби. Метод определения зараженности и загрязненности вредителями хлебных запасов».

Сущность метода определения зараженности заключается в выделении насекомых, грибковых спор и клещей путем просеивания на ситах и визуальном обнаружении живых особей, а метода определения загрязненности - мертвых особей.

Рис. 4. Распространение грибковых и бактериальных спор в мучной массе

Поточное оптикоэлектронное определение подразумевает то, что мука сканируется анализатором в транспортной байпасной линии. Здесь пробы не отбираются, а в наибольшей степени ответвляются и вновь возвращаются в основную линию производства. При отборе образца встает вопрос, насколько он соответствует поточному сканированию линии производства, при этом место осмотра пробы особенно важно [6].

Согласно данному способу, данная задача решается за счет того, что мучной продукт перед сканирующим устройством перемещают в виде плотного потока, измерения в ближней ИК-области осуществляют в отраженном от продукта свете в виде отдельных измерений по всему спектру.

Согласно изобретению, предпочтительно, чтобы движением размолотых, плохо текучих продуктов управляли и поддерживали его постоянным посредством вибродозатора.

В мельничном производстве мука в процессе переработки все время находится в движении, что в данном случае служит основой сканирования, за счет того, что при статистической обработке используется большое число измерений. Это позволяет в течение нескольких секунд обнаруживать вредителей и грибковых спор в потоке или на отдельных этапах производства и вмешаться в процесс [7].

Устройство перемещения продукта выполнено управляемым, а светоприемник выполнен в виде диодной матрицы для одновременной регистрации отдельных участков спектра.

Кроме того, также предпочтительно, чтобы оптическая система сканирования была снабжена светофильтрами, установленными между источником излучения и светоприемником, выполненными с возможностью вращения и предназначенными для последовательного выделения отдельных участков спектра [8].

В ходе проведенного нами анализа изображений были выделены основные параметры разделения мучной смеси, которые были положены в основу автоматической системы контроля и сортировки мучной смеси, представленной на рис. 5.

Мучные бункеры оборудованы датчиками верхнего и нижнего уровней, которые связаны с центральным пунктом управления. Зараженная мука по трубам 3 подается на хранение в приемные бункеры 2. Из них продукт забирается роторными питателями 7 и поступает в бункер поточного оптико-электронного анализатора 10, где мука плотным потоком сканируется в ближней ИК-области отраженным от продукта свете в виде отдельных измерений по всему спектру и направляется в сито-веечную машину А1-БС2-О.

При обнаружении анализатором 2 амбарных вредителей поток по трубопроводу направляется на повторную очистку в просеиватель 12. Накапливающиеся вредители в ситах транспортируются в герметичный бункер 11 с последующей его фумигацией.

Удовлетворяющий по качеству мучной продукт, очищенный и просканированный, отправляется в бункер хранения 16. По технологическим требованиям, мука должна до поступления на производство пройти стадию «отлежки», что вызывает необходимость хранения на складах семисуточного запаса муки. После этого очищенная партия муки используется для производства хлебобулочных и макаронных изделий или транспортируется к потребителям любым из трех способов: автомуковозом; запаковывается весовыбойной машиной 18 в мешки или отправляется в рассев 19 для будущей расфасовки в пачки в фасовочной машине 20.

Работу пневмотранспорта обеспечивает компрессорная станция 9, в состав которой входят компрессор, ресивер и фильтр. Для равномерного распределения сжатого воздуха по магистралям перед питателями монтируются ультразвуковые сопла 6.

Рис. 5. Технологическая схема электротхнологического оптико-электронного контроля сортировки пшеничной муки

1 - приемный щит; 2 - приемный бункер ХЕ-160А; 3 - трубопровод; 4 - мукоприемник ХМП-М; 5 - машина для упаковки муки в мешки МВМ; 6 - ультразвуковые сопла; 7 - роторный питатель; 8 - пневмотрубопровод; 9 - компрессорная станция; 10 - поточный оптикоэлектронный анализатор №1; 11 - герметичный бункер; 12 - ситовеечная машина А1-БС2-О;13 - поточный оптикоэлектронный анализатор №2; 14 - шнековый транспортер; 15 - компьютер; 16 - бункер хранения; 17 - переключатель; 18 - установка весовыбойная; 19 - рассев; 20 - фасовочная машина; 21 - транспортер.

Санитарными нормами для мукомольных предприятий установлена предельно допустимая концентрация мучной пыли в воздухе: не более 10 мг/м3. В связи с наличием в хлебопекарном производстве многочисленных источников образования и выделения пыли в атмосферу цеха на каждом хлебопекарном предприятии должен быть установлен систематический контроль за запыленностью воздуха на всех производственных участках [9].

В настоящее время имеется ряд автоматических систем-измерителей запылённости. В частности, имеются радиоизотопные, основанные на измерении степени поглощения радиоактивного излучения, акустические (например, пьезоэлектрические), непрерывного действия, основанные на изменении давления частиц пыли в газо-воздушном потоке. Наиболее приемлемым непрерывным измерителем концентрации мучной пыли в помещениях с точки зрения простоты обслуживания и надёжности работы является оптико-электронный пылемер [10]. Принцип его действия основан на получении изображения находящихся в окружающем воздухе частиц (рис. 6).

Способ выделения локальных объектов на цифровых изображениях поверхности, включающий пороговую обработку изображения, заключается в следующем: производится сравнение значения функции с заданным пороговым значением, и, в зависимости от результата сравнения, точки, в которых значение функции больше порогового, считаются принадлежащими к множеству точек локальных объектов (частиц), а меньше порогового - не принадлежащими.

Смысл способа - в том, что до пороговой обработки:

- рассчитывают для функции f(x,y) автокорреляционную функцию и определяют максимальную корреляционную длину;

- выделяют множество начальных точек, соответствующих точкам локальных максимумов функции f(x,y), отождествляют каждую начальную точку с отдельной частицей и считают центром частицы;

- устанавливают вокруг каждой начальной точки локальную область радиусом в несколько корреляционных длин;

- устанавливают вокруг каждой начальной точки ограничительную область, которая в начальный момент считается равной локальной; считается, что частица локализована в пределах ограничительной области, и граница частицы не может выходить за пределы этой области;

- для каждой частицы устанавливают свой локальный нулевой уровень, равный среднему значению функции по нескольким самым низким точкам в локальной области;

- для каждой частицы определяют высоту частицы как разницу между значением функции f(x,y) в локальном максимуме и значением локального нулевого уровня;

- далее по заданной величине относительного порога, который тождественно равен уровню относительной высоты, для которого хотят получить горизонтальные сечения частиц, устанавливают для каждой частицы свой локальный уровень порога, равный сумме локального нулевого уровня и высоты частицы, умноженной на заданное значение относительного порога;

- и далее для каждой частицы в пределах ее ограничительной области проводят пороговую обработку со своим локальным уровнем порога, строят сечение частицы на уровне локального порога, находят границу сечения и рассчитывают геометрические характеристики частицы [11].

Автоматическая система контроля концентрации пыли в воздухе работает на основе изображений, получаемых 4 камерами, установленными в разных углах помещения. Данные фотокамеры объединены в единую оптическую систему и совместно с компьютером проводят анализ воздуха в помещении на предмет наличия мучной пыли. Компьютер после обработки полученных данных соглано заданному алгоритму по полученным параметрам передает сигнал на микроконтроллер, который включает вентиляцию в помещении.

Рис. 6. Выделение частиц, находящихся в воздухе, посредством получения изображения фотокамеры

Система определения наличия в мучной массе жуков-паразитов и грибковых спор и система определения концентрации мучной пыли в воздухе объединены в единый оптико-электронный автоматический комплекс, который работает с высокой скоростью, эффективностью и позволяет повысить качество мучной продукции и обеспечить безопасность хлебопекарного производства .

Выводы

электротехнологический хлебопекарный качество мука

1. Рассмотрены основные параметры для определения качества муки и концентрации мучной пыли в воздухе.

2. Проанализированы существующие электротехнологические установки для определения качества муки и концентрации мучной пыли в воздухе.

3. Разработана система автоматического оптико-электронного контроля качества муки и определения концентрации мучной пыли в воздухе помещения. Описаны основные этапы технологического процесса при сортировке мучной массы.

4. Разработаны алгоритмы получения, передачи и обработки изображения из оптической системы.

Список использо?ванных источ?ников

1. Агроклиматический справочник по Краснодарскому краю. - Краснодар. -1961. - 261 с.

2. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. - М.: Высш.шк. - 2000. - 255с., ил.

3. Богатырев Н.И.. Курзин Н.Н. Практикум по электроприводу в сельском хозяйстве: Учебн. пособие/КубГАУ. - Краснодар. - 1999. - 214 с.

4. Лебедев Д.В., Лебедев И.Д., Лебедев В.Д., Яншин А.В. Устройство для сортировки яиц // Патент РФ № 2654328, 17.05.2018. Бюл. №14.

5. Бурлин С.В., Лебе?дев Д.В., Лобунец В.А. Способ сорт?ировки сем?ян // Патент РФ №2245198, 272.01.2005. Бюл. №3.

6. Лебедев Д.В. Параметры процесса распознавания семян люцерны в семенном материале высокоточным оптико-электронным способом: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Краснодар. - 2005. - 149 с.

7. Цыганков Б.К., Бурлин С.В., Лебедев Д.В., Новокрещенов О.В. Способ сортировки семян // Патент РФ №2199404, 27.02.2003. Бюл. №6.

8. Рутковский И.А., Цыганков Б.К., Бурлин В.Д., Лебедев Д.В. Оптико-электронный экспресс-анализ засоренности семян люцерны трудноотделимыми сорняками // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2003, №11. - С. 8-9.

9. Лебедев Д.В., Рожков Е.А., Харченко С.Н. Способы оптико-электронного анализа при сортировке семян сельскохозяйственных культур // АгроЭкоИнфо. - 2019, №3. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2019/3/st_343.doc.

10. Лебедев Д.В., Горская Е.С., Лебедев И.Д. Лебедев И.Д. Центробежный шелушитель семян зерновых культур // Патент РФ №191291, 01.08.2019. Бюл. №22.

11. Лебедев Д.В., Цыганков Б.К. Оптико-электронный экспресс-анализ семенного материала: монография. Кубанский государственный аграрный университет. - Краснодар. - 2014. - 148 с.

Размещено на Allbest.ru