مقاله کنترل هوشمند خط تولید نان صنعتی با استفاده از مدل سازی با شبکه های پتری

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله، سعی گردیدهاست براساس مدلسازی با استفاده از شبکههای پتری، خط تولید هوشمند نان صنعتی را مدلسازی و شبیهسازی کنیم. این خط تولید شامل ِبخش کاملاً مجزا به نامهای سالن توزین، سالن خمیرگیری، بخش گرمخانه یا اتاق تخمیر، بخش پخت و سالن بستهبندی میباشد که هر کدام از این بخش ها شامل زیر بخشهای دیگری میباشند، از آنجاییکه ارائه مدل کل سیستم خط تولید در اینجا مقدور نمیباشد لذا تنها بخشهایی که به لحاظ عملکرد کنترلی حائز اهمیت میباشد را ارائه کردهایم.

در این مقاله مدل کنترلی سه بخش سالن توزین، سالن گرمخانه و سالن پخت ارائه شدهاست و پس از اعمال تئوری کنترل نظارتی، کنترل کننده نهایی را بهدست آوردهایم. در اینجا هدف نهایی از مدلسازی با استفاده از شبکههای پتری در مرحله اول داشتن یک مدل از خط تولید و در مرحله دوم طراحی کنترل کننده با یک روش سیستماتیک برای خط تولید نان صنعتی میباشد.

1 -مقدمه

نان بهعنوان یکی از ارکان اصلی تأمین احتیاجات غذایی بشر در طول تاریخ میباشد و از اهمیت ویژهای برای تغذیهبرخوردار بوده است. بشرهمیشه گندم را بهعنوان محصول اصلی کشاورزی در نظر داشته و در هر دورانیتلاشهایی در جهت تکامل این راه داشته است و همواره در خلال کاشت و برداشت های متعدد اصلاح بذر و مکانیزه کردن را مد نظر داشته است.

در طی سالهای اخیر گندم بهعنوان یک ماده غذایی اصلی ارزش بالاتر ی بهنسبت سایر مواد غذاییاولیه پیدا کرده است. نان از دیرباز از مواد غذایی بسیار پرطرفدار بوده و امروزه نیز به دلیل بالا رفتن هزینههای سایر مواد غذایی، مصرف آن بسیار افزایش یافته است. بسیار پرواضح است که باتوجه به محدودیت های موجود در تأمین منابع باید از این محصول به طرز شایستهای بهره جست.

تهیه نان خوب و غنی شده نیاز به اطلاعات دقیق در شناخت آرد و روش های صحیح و علمی در تهیه خمیر، پخت و بستهبندی مناسب رادارد. از طریق بکارگیری روش های نوین تهیه و عمل آوری خمیر، ماشین آلات مناسب و تکنولوژی مدرن می توان نان خوب و با کیفیت تهیه و تولید کرد که به لحاظ اقتصادی نیز مناسب باشد. تهیه و تولید نان های نازک و مسطح و سایر نان های فانتری بدون کاربرد تکنولوژی نمی تواند در طولانی مدت ادامه یابد. تاریخچه تولید و مصرف نان در جهان نشان داده است که ابتدا نان به صورت نازک و مسطح تولید می گردید لکن به مرور و در کشورهای پیشرفته جهان به شکل کاملاً حجیم درآمده است.

نانوایی هایی که در حد سنتی اقدام به تولید نان می نمایند باید به تدریج تغییر کرده و با استفاده از تکنولوژی جدید و راه های مناسب، استفاده از آرد را برای تهیه نانی با کیفیت بهتر و خاصیت غذایی بیشتر جایگزین کرد. در ایران یکی از عوامل هدردهنده گندم را باید شیوه پخت نان سنتی برشمرد چرا که هنوز با شیوه های صدسالهنانی با کیفیت پایین که دورریز آن ب هطور متوسط حدود ََ درصد است تولید می گردد. بنابراین با عنایت به مطالب فوق مشخص میگردد که زمان آن فرا رسیده تا با تعیین قوانین جدید شیوه های پخت نان را اصلاح و استانداردهای بین المللی را جایگزین روشهای فعلی نمود.

یکی از مشکلات اساسی در بالا بردن عملکرد سیستم های تولید نان صنعتی عدم شناخت صحیح سیستم تولیدی است، در این مقاله برآنیم تا با استفاده از روش های مدل سازی سیستم گسسته-پیشامد  مدلی مناسب از یک خط تولید نان صنعتی ارائه دهیمتا هم هزینه های تولید کاهش یابد و هم با ارائه کنترلی مناسب سرعت تولید افزایش یابد.

استفاده از سیستم های دینامیکی گسسته-پیشامددر مدل سازی سیستمها با خواص گسسته در حال گسترش است ]ٌ.[ در تعریف سیستمهای گسسته-پیشامد میتوان گفت سیستمهایی که دارای حالتهای گسسته بوده و با وقوع هر پیشامد از حالتی به حالت دیگر می روند. رفتار اینگونه سیستمها را تغییر حالتها و وقوع پیشامدها تشکیل می دهد. با داشتن مدل سیستم گسسته- پیشامد و ضوابط رفتاری آن، هدف بهدست آوردن یک ناظر مناسب جهت کنترل حلقه بسته آن است]ٍ.[

جهت مدل سازی سیستمهای گسسته-پیشامد روشهای متفاوتی ارائه شدهاست که مهمترین آن ها، روش مدل سازی با استفاده از اتوماتا       و شبکه های پتری   میباشد. روش مدل سازی با استفاده از اتوماتا برای مدل سازی سیستمهای گسسته-پیشامد برای اولین بار در سال ٌَُْ توسط Ramadge&Wonhamبا نام تئوری کنترل نظارتی در سیستم های گسسته-پیشامد]َ[ارائه شد 4]،.[5 اما مشکل اساسی مدل سازی با اتوماتا انفجار حالت است لذا مدل سازی سیستمهای بزرگ با این روش به لحاظ عملی امکان پذیر نمیباشد]ُ.[

با توجه به محدودیت های بیان شده در اتوماتا روش جایگزین اتوماتا، مدل سازی با استفاده از شبکه های پتری میباشد5]،.[7 شبکه های پتری قابلیت نمایش گرافیکی را دارند که به همین دلیل مدل سازی توسط آنها را آسان میکند ]ُ.[ از آن زمان تاکنون پژوهشهای بسیار فراوانی در جهت توسعه و بهبود زبان اتومات و شبکه های پتری انجام شدهاست]ّ.[ در این مقاله با استفاده از ابزار شبکه های پتری به بیان مدلی مناسببرای خط تولید نان صنعتی می پردازد.

روند مقاله در بخش های بعدی به شرح زیر است: بخش دوم مفاهیم پایه به مدل سازی شبکههای گسسته و کنترل نظارتی اختصاص دارد. در بخش سوم هر یک از بخشها را در خط تولید توضیح داده و در بخش چهارم مدل هر کدام به همراه ضوابط را ارائه خواهیم داد و همچنین در همین بخش مدل سازی نهایی را انجام خواهیم دادو در نهایت در بخش پنجم نتیجهگیری و پیشنهاداتی برای ادامه کار بیان خواهد شد.

2 -مفاهیم پایه

برای رسیدن به هدف مورد نظر در این مقاله، روش مدل سازی با شبکه های پتری را استفاده میکنیم. در بخش های زیر مفاهیم پایه و اساسی و مدل سازی شبکه های پتری بهصورت مختصر بیان خواهد شد.

1- 2 -شبکههای پتری

برای مدل سازی هر سیستم گسسته-پیشامد توسط شبکه های پتری چهار عنصر اساسی داریم که در هر شبکه پتری از آنها استفاده می شود7]،:[8 مکان : مکان، نمایانگر وضعیت ممکن سیستم است و با یک دایره تو خالی نمایش داده می شود. گذرگاه : بیانگر عامل تغییر حالت یا همان پیشامد میباشد و بهصورت یک خط یا یک مستطیل توپر نمایش میدهند.

کمان :ارتباط دهنده مکانها و گذرگاهها و روال تغییر حالت در هنگام رخداد پیشامدها را نمایش می دهد. کمانها بهصورت یک پیکان نشان داده می شوند. نشانه : بیانگر وضعیت - مکان های - فعال میباشد و به صورت نقطه نشان می دهند. اگر در یک مکان حداقل یک نشانه وجود داشته باشد، حالت مربوط به آن مکان فعال است. در شبکه های پتری هر مکان توسط کمانها به یک یا چند گذرگاه وصل میشود و در این حالت جهت پیکان بهسمت گذرگاهخواهد بود و از طرف دیگر از هر گذرگاه کمانی خارج شده که به سمت مکان خواهد بود، البته به هر مکان میتواند یک یا چند کمان از چند گذرگاه برسد. در شبکه های پتری کمانها دارای وزن هستند که این وزن نشان میدهد که چه تعداد نشانه به مکان اضافه یا کم می شود.

به یک مکان ورودی به گذرگاه میگویند در صورتیکه کمانی مستقیم از مکان به گذرگاه موجود باشد و به یک مکان خروجی از گذرگاه میگویند در صورتیکه کمانی مستقیم از گذرگاه به کمان موجود باشد. که در مجموعه بالا P مجموعه مکان ها، T مجموعه گذرگاه ها، W- تابع ورودی بیان کننده مکان های ورودی به گذرگاه ها، W+تابع خروجی بیان کننده مکان های خروجی از گذرگاهها و M0 حالت اولیه سیستم که بیانگر تعداد نشانهها در هر مکان در شرایط اولیه است.

اگر تعداد مکانها را برابر با |P| و تعداد گذرگاهها را برابر با |T| در نظر بگیریم، توابع ورودی و خروجی، ماتریس های |P|×|T| میباشند. اگر مکان iام یک مکان ورودی به گذرگاه j ام باشد، آرایه سطر iام و ستون j ام ماتریس W-برابر با وزن کمان رابط مکان i و گذرگاه jمیباشد. به طریق مشابه اگر مکان iیک مکان خروجی از گذرگاه jباشد، آرایه سطر iام و ستون j ام ماتریس W+برابر با وزن کمان رابط گذرگاه jو مکان iمیباشد. به ماتریس-W= W-W+ماتریس الحاقی گفته میشود که بیانگر رابطه بین کمانها و گذرگاهها و مکانها میباشد و تمام عملیات ریاضی سیستم بر روی این ماتریس صورت میگیرد9]،.[12

2- 2 -مدل ضوابط

در سیستم های مختلف صنعتی و تولیدی شرایط و ضوابطی برای کار ابزار و دستگاه های مربوط به آن سیستم وجود دارد، مدل ضوابط ارتباط بین اجزا سیستم را مشخص میکند. یکی از برتری های مدل سازی به روش پیشامد-گسسته این میباشد که نخست میتوان سیستم را بدون در نظر گرفتن ضوابط و شرایط کار مدل کرد و پس از بهدست آوردن مدل ضوابط ناظر مناسب را برای سیستم مورد بررسی طراحی کرد ]ِ.[

این کار خطای انسانی در طراحی سیستم و کنترلکننده را به شدت کاهش می دهد. بهطور مثال وقتی دو ماشین و یک ربات داریم که ربات قطعه را از ماشین ٌ برداشته و در ماشین ٍ قرار می دهد، این ربات نقش ضوابط را دارد زیرا ارتباط بین ماشین ٌ و ماشین ٍ را برقرار میکند. گاهی اوقات بین ضوابط و قواعد مورد نیاز بین اجزای یک سیستم بهصورت یک مدل شبکه پتری گویاتر و خلاصهتر خواهد بود، بهصورت ویژه وقتیکه نیاز به یک توالی از وقوع پیشامدهایی که توسط اجزای مختلف سیستم ایجاد میشوند، داشته باشیم در این موارد مدل ضوابط میتواند کارساز باشد]ُ.[

3- 2 -کنترل نظارتی

در تئوری کنترل نظارتی یک ناظر به شکلی طراحی میشود که خروجیها را از سیستم دریافت کرده و با توجه به ضوابط تعریف شده باید تصمیم بگیرد که چه کاری در آینده انجام شود .[10] در شکل ٍ اساس تئوری کنترل نظارتی به وضوح نمایش داده شده است. در این روش هر یک از اجزا سیستم مدل سازی میشود و سپس ضوابط بین اجزا را نیز مدل سازی میکنیم و در نهایت با ترکیب مدل اجزا و مدل ضوابط مدل نهایی ساخته می شود.[4]

3 -سیستم مورد مطالعه

بهطور کلی فرآیند پخت نان به شکل صنعتی شامل بخش های زیر است:

1    - سالن توزین: در این سالن حجم مشخص از موادی که برای تهیه نان مورد نیاز است توزین می شوند.در این سالن ترازو و ظرف مخلوط را داریم که در زمان توزین هر ماده باید از خالی بودن ترازو و همچنین در زمان تخلیه ماده در ظرف مخلوط باید از اینکه ماده دیگری در حال تخلیه شدن در ظرف مخلوط نیست، مطمئن باشیم

2    - سالن خمیرگیری: این بخش شامل چهار بخش مخلوط کن، چانهگیر، گرد کن و رول کن میباشد که در نهایت خروجی این سالن خمیر با شکلی خاص برای تهیه نان است.

3    - سالن گرمخانه یا تخمیر: در این بخش خمیر شکل گرفته شده را با گرما و بخار افزایش حجم می دهند تا آماده پخت شود. برای رسیدن به این منظور باید گرما را توسط گرمکن بین َِ تا ُِ درجه و رطوبت را حدود َِ درصد به مدت ُِ تا ًُ دقیقه نگه داشت. در این سالن سنسورهایی جهت اندازهگیری دما و رطوبت وجود دارد.

4    - سالن پخت: در حالت کلی سه نوع فر وجود دارد که عبارتند از فرگردون با پایه متحرک، فر کشویی ثابت و فر تونلی، در اینجا فری که برای پخت در نظر گرفته شدهاست، فر تونلی میباشد. این فر دارای یک نوار نقاله است که میتوان سرعت نوار نقاله را تنظیم کرد. علاوه بر سرعت نوار نقاله دمای فر را نیز میتوان تنظیم کرد.

5    - سالن بستهبندی: این مرحله بخش نهایی است که نان های خنک شده را در نایلون قرار داده و سپس در بستههایی قرار داده و فرآیند تاریخ و قیمتگذاری را انجام می دهند.

4 -مدل سازی سیستم

این خط تولید شامل ِبخش کاملاً مجزا به نام های سالن توزین، سالن خمیرگیری، بخش گرمخانه یا اتاق تخمیر، بخش پخت و سالن بستهبندی میباشد که بعضی از این بخشها شامل زیر بخش های دیگری میباشند. در این بخش سعی میشود که مدلی برای بخش های سالن توزین، اتاق گرمخانه و بخش پخت ارائه کنیم و از مدل سازی سایر بخشها به دلیل سادگی صرفنظر شدهاست.

1- 4 -سالن توزین

برای تولید نان، آرد گندم، نمک، خمیر مایه، شکر، روغن، بهبود دهنده - با توجه به کیفیت آرد مورد استفاده از مقدار مشخصی بهبود دهنده برای افزایش کیفیت نان استفاده می شود - و آب مورد نیاز است که با توجه به نوع نانی که قرار است تولید شود میزان مواد مصرفی توسط واحد کنترل کیفیت تعیین میگردد. در مرحله توزین وزن مشخصی از مواد مصرفی برای استفاده در مراحل بعدی فراهم می شود. مدلی را که جهت توزین مواد در نظر گرفته شده است را در شکل َ مشاهده می کنید.