用于基于多变量预测模型的烘焙过程控制的设备和方法与流程

本公开涉及烘焙产品的加工，并且更具体地涉及当在烤箱中烘焙产品时使用多变量预测控制模型来控制烤箱的操作参数。

背景技术：

1、通常，烘焙产品(例如，饼干、薄脆饼干、旋转模制的甜曲奇饼、挤出产品等)的消费者期望的特性(例如，风味、质构、颜色、口感等)至少部分地限定其消费者感知的质量。由于面团是可消费的烘焙(例如饼干)产品的前体，因此面团制造商旨在生产这样的面团，当在烤箱中烘焙时，该面团产生具有最大程度地匹配消费者期望特性的目标参数(例如含水量、重量、颜色、厚度等)的烘焙产品(例如饼干)。然而，饼干面团的配料的天然可变性以及由饼干面团制造饼干产品的过程所固有的可变性可能导致所得的烘焙饼干产品在批次之间的可变性。由于批次之间的这种可变性，一些批次的烘焙饼干产品可能代表将被包装并销售给消费者的商业上期望的产品，而一些批次的烘焙饼干产品可能代表商业上不期望的产品，它们不能满足质量规格，并且将被丢弃或再加工，导致饼干产品制造商的工艺低效和工艺成本增加。

2、饼干烘焙是具有多个输入和多个输出的复杂过程。典型的商用饼干烘焙烤箱具有5至10个区域，这些区域可以是独立可控的。每个烤箱区域都具有多个可影响烘焙产品的质量和生产效率的受操纵过程变量(例如，燃烧器输出、温度、热量分布、排气水平等)。因此，与烘焙饼干产品相关的烤箱控制可以包括多达几十个过程变量的操纵/调整。传统的饼干烤箱通常以一种模式操作，其中烘焙师必须在烘焙前和烘焙后手动调整这些输入变量中的许多输入变量，以获得商业上期望的烘焙饼干产品，该烘焙饼干产品具有在制造商的规格内的产品质量属性(例如，干重、含水量、颜色、厚度、视觉缺陷、质构等)。通常，这是一个反复试验过程，其中烘焙师在烤箱中烘焙面团以制备烘焙产品，然后使用多种分析方法测量烘焙产品的属性(其通常是乏味的、易出错的并且耗时的)，并且然后考虑周围环境条件、实际最终烘焙产品属性和目标(即，商业上期望的)烘焙产品属性来尝试调整烤箱的烘焙参数以获得具有商业上期望的属性的烘焙产品。因此，为了实现一致的烘焙产品质量和高生产效率的目的，烘焙师使用手动过程测量控制通常是非常困难且低效的。因此，需要改进烘焙产品的加工，其采用有效的方法以获得具有高质量、商业上期望的属性的烘焙产品。

技术实现思路

1、本技术总体上涉及一种用于加工烘焙(例如，饼干、薄脆饼干、曲奇饼等)产品的设备(以及相关联的方法)，其克服了常规烘焙系统的上述缺点中的至少一些缺点。具体地，本文描述的设备的目的是使用多变量预测控制模型来设定烤箱(例如，隧道式烤箱等)的烘焙参数，以便减小烘焙过程的可变性，同时减小烘焙产品的可变性并且改善烘焙产品的质量属性。

2、在一些实施方案中，一种用于控制烘焙产品的制造的设备包括块形成装置，该块形成装置被配置为通过使面团块料再成形(例如，混合、挤出等)来形成面团块，其中由块形成装置形成的面团块代表烘焙产品的前体。在一些情况下，块形成装置可以形成代表烘焙产品前体的连续、单片挤出形式的面团块。换句话说，面团块可以是连续挤出的形式，其可以在烘焙之前或烘焙之后被分离成单独的烘焙产品。面团块可以单个挤出物呈现，该挤出物随后被切割或以其它方式分离。

3、该设备进一步包括隧道式烤箱，该隧道式烤箱包括至少一个区段，该至少一个区段包含一个或多个区域，该隧道式烤箱被配置为烘焙面团块以提供烘焙产品。该设备还包括至少第一传感器，该第一传感器被配置为检测与由块形成装置形成的面团块相关联的参数。另外，该设备包括控制器，该控制器包含可编程处理器并且可操作地耦合到隧道式烤箱。控制器被配置为：获得表示与由块形成装置形成并由第一传感器检测到的面团块相关联的参数的电子数据；获得表示待在隧道式烤箱中由面团块制造的烘焙饼干产品的目标参数的电子数据；获得表示周围环境条件的电子数据，并且获得表示隧道式烤箱的设置和条件的电子数据。控制器进一步被配置为：将所获得的面团块的参数、烘焙饼干产品的目标参数、周围环境条件以及隧道式烤箱的设置和条件相关联，以基于多变量预测控制模型生成由控制器预测的隧道式烤箱的第一组烘焙参数，以使得隧道式烤箱由插入到隧道式烤箱中的面团块生产具有目标参数的烘焙饼干产品；并且控制隧道式烤箱运行第一组烘焙参数，该第一组烘焙参数由控制器基于所获得的面团块的参数、烘焙饼干产品的目标参数、周围环境条件以及隧道式烤箱的设置和条件的相关性而生成，同时面团块在隧道式烤箱中被烘焙以生产具有目标参数的烘焙饼干产品。

4、如上所述，通常通过反复试验，即通过烘焙后人工评估烘焙产品的属性(例如含水量、重量、颜色等)和对未来烘焙参数的响应性重新调整来完成对隧道式烤箱中饼干产品烘焙的常规控制，这不会影响或有益于已经烘焙的产品。虽然这种常规控制可能有益于将来烘焙的产品，但是在第一批烘焙产品的分析中未考虑的环境条件的任何变化都可能会破坏此类回顾性传统控制的目的，因为考虑到环境条件的变化，在分析第一批烘焙产品之后手动设定的烤箱参数对于生产具有期望性质的第二批烘焙产品可能不再是最佳的。典型地，为了解决诸如环境条件变化的过程干扰，可以执行预定的过度程度的烘焙以确保例如所有烘焙产品满足期望的含水量水平。换句话说，例如，预定的过度程度的烘焙说明了预期的过程、环境或原料干扰，因此代表了一部分产品的过度烘焙。

5、相比之下，根据本文所述的示例性实施方案中的一些示例性实施方案的设备和方法至少部分地基于与在块形成操作(即，通过任选的破碎机和/或旋转模制机等)期间形成的面团块相关联的某些参数的识别/检测。这些所识别/检测的参数(其可通过直接感测面团块自身的参数来检测，或通过基于破碎机和/或旋转模制机的操作参数(例如，电流、功率、扭矩、模辊速度、模辊间隙、刀高度等)的感测计算面团块的参数来检测)用作那些特定面团块的所需烘焙参数的指标，以产生具有商业上期望的最终参数的烘焙饼干产品。因此，如下面更详细地描述的，在一些方面，通过检测与由块形成装置(例如，破碎机和/或旋转模制机等)形成的面团块相关联的参数，可以针对这些面团块具体地预设隧道式烤箱的烘焙参数(同时还考虑可能影响隧道式烤箱中的烘焙过程的任何其它因素(例如，环境条件等))以产生具有期望的最终属性的烘焙产品。

6、因此，根据本文所述的实施方案的设备更有效且更一致地执行将面团块烘焙到期望的最终产品属性(例如，含水量、重量、高度、厚度、颜色等)，因为烤箱的烘焙参数是在烘焙之前基于至少与进入烤箱的面团块、周围环境条件和从烤箱出来的最终烘焙产品的期望目标属性相关联的特性的分析来预设的。在一些方面，例如，由于为了具有某些(预先检测的)参数的面团块适当地控制隧道式烤箱的烘焙参数，所以烤箱可以被控制为以适合进入烤箱的面团块的更高/更低的热量输入或更高/更低的蒸汽去除速率开始烘焙。这样，可以提高烘焙的效率，因为使用由烤箱的控制器确定的预设烘焙参数来烘焙每批面团块，以最可能产生具有商业上期望的最终产品属性的最终烘焙产品(而不是在考虑到第一批面团块的属性、周围环境条件和用于烘焙第一批的烤箱参数来分析第一批烘焙产品的最终属性之后，追溯地调整用于第二批面团块的烤箱的烘焙参数)。

7、隧道式烤箱的设置和条件可以包含下列中的至少一者：温度、湿度、压力、风门、排气装置、位于隧道式烤箱的区段中的至少一个区段中的风扇以及隧道式烤箱的生产量。烘焙产品的目标参数可以包含质构、风味、含水量、重量、高度、厚度和颜色中的至少一者。

8、在一些实施方案中，隧道式烤箱的区段中的每个区段包含能够由控制器独立控制的至少一个区域。在一个示例性实施方案中，隧道式烤箱的区段包含：包含三个区域的第一区段；包含两个区域的第二区段；和包含两个区域的第三区段，并且隧道式烤箱被配置为允许控制器在第一区段、第二区段和第三区段中的每个区段的区域中的每个区域中设置独立的参数。

9、在某些方面，该设备进一步包括与控制器通信并且被配置为存储电子数据的电子数据库。存储在电子数据库中的电子数据可以包含，例如，表示与由块形成装置形成并由第一传感器检测到的面团块相关联的参数的电子数据；表示待在隧道式烤箱中由面团块制造的烘焙饼干产品的目标参数的电子数据；表示周围环境条件的电子数据；表示所述隧道式烤箱的设置和条件的电子数据；和表示由控制器生成的第一组烘焙参数的电子数据。

10、在一些实施方式中，该设备包括至少第二传感器和控制器，该第二传感器被配置为检测与从隧道式烤箱出来的烘焙饼干产品相关联的参数，控制器被配置为：获得表示与从隧道式烤箱出来并且由第二传感器检测到的烘焙饼干产品相关联的参数的电子数据，并且确定从隧道式烤箱出来的烘焙饼干产品的参数是否与烘焙饼干产品的目标参数匹配。然后，如果从隧道式烤箱出来的烘焙饼干产品的参数与烘焙饼干产品的目标参数不匹配，则控制器被配置为将所获得的面团块的参数、烘焙饼干产品的目标参数、从隧道式烤箱出来的烘焙饼干产品的参数、周围环境条件以及隧道式烤箱的设置和条件相关联，以基于多变量预测控制模型生成由控制器预测的隧道式烤箱的第二组烘焙参数，以使得隧道式烤箱由插入到隧道式烤箱中的面团块生产具有目标参数的烘焙饼干产品。

11、在某些方面中，第二传感器被配置为测量从隧道式烤箱出来的烘焙饼干产品的含水量、厚度、重量、堆叠高度和颜色中的至少一者。在一种方法中，电子数据库进一步存储表示从隧道式烤箱出来并由第二传感器检测到的烘焙饼干产品的参数的电子数据；和表示由控制器生成的第二组烘焙参数的电子数据。

12、在一些实施方案中，一种用于控制烘焙产品的制造的方法包括：通过块形成装置将面团块料再成形以形成面团块，该面团块代表烘焙产品的前体；提供隧道式烤箱，该隧道式烤箱包括至少一个区段并且被配置为烘焙面团块以提供烘焙产品；提供至少第一传感器；经由第一传感器检测与由块形成装置形成的面团块相关联的参数；以及提供控制器，该控制器包含可编程处理器并且可操作地耦合到隧道式烤箱。该方法进一步包括经由控制器获得：表示与由块形成装置形成并由第一传感器检测到的面团块相关联的参数的电子数据；表示待在所述隧道式烤箱中由所述面团块制造的所述烘焙产品的目标参数的电子数据；表示周围环境条件的电子数据；表示所述隧道式烤箱的设置和条件的电子数据；以及通过控制器将所获得的面团块的参数、烘焙产品的目标参数、周围环境条件以及隧道式烤箱的设置和条件相关联。该方法进一步包括：基于该相关联，由控制器使用多变量预测控制模型生成由控制器预测的隧道式烤箱的第一组烘焙参数，以使得隧道式烤箱由插入到隧道式烤箱中的面团块生产具有目标参数的烘焙产品；以及通过在隧道式烤箱中烘焙面团块同时经由控制器控制隧道式烤箱运行第一组烘焙参数来生产具有目标参数的烘焙产品，该第一组烘焙参数由控制器基于所获得的面团块的参数、烘焙饼干产品的目标参数、周围环境条件以及隧道式烤箱的设置和条件的相关性来生成。