LabVIEW: un linguaggio di programmazione grafica per il controllo della temperatura nel processo di produzione dello yogurt

1. Introduzione

1.1 L’Industria 4.0

L’Industria 4.0, o Quarta Rivoluzione Industriale, si focalizza sull’automazione e l’interconnettività delle fabbriche moderne per migliorare prestazioni, connettività, ridurre i costi e aumentare la qualità. Utilizza tecnologie come l’Internet of Things, il Cloud Computing, il Machine Learning, l’Intelligenza Artificiale, l’analisi dei Big Data e la robotica.

Sebbene queste tecnologie offrano vantaggi significativi, presentano anche sfide organizzative.

La ricerca attuale si concentra principalmente sugli aspetti tecnologici dell’Industria 4.0, trascurando spesso la prospettiva organizzativa. Tuttavia, l’integrazione di sensori, metodi analitici, modelli fisico-chimici avanzati e concetti di Big Data è cruciale per garantire la sicurezza alimentare senza compromettere la sostenibilità delle risorse.

In questo contesto, la ricerca pubblicata su Procedia Computer Science nel 2023, utilizza il software LabView di National Instruments per controllare automaticamente il processo di produzione dello yogurt, mantenendo la temperatura ottimale di 42°C per lo sviluppo dei batteri lattici. LabView, facile da programmare, consente di gestire efficacemente le fasi critiche della produzione dello yogurt, mantenendo temperature tra 40 e 43°C.

1.2 Simulazione e controllo di processo

La valutazione dell’accuratezza è fondamentale per un sistema di produzione. Il miglioramento delle tecnologie e dei processi produttivi è continuo, supportato da sistemi sensoriali e di monitoraggio in tempo reale che utilizzano schemi di controllo ad anello chiuso. La ricerca sulla modellazione e simulazione del doppio riscaldamento del substrato per la digestione anaerobica evidenzia l’uso di una strategia di riscaldamento unica con controllo PID.

Lo studio in oggetto propone una doppia strategia di riscaldamento per gestire disturbi termici e perdite di calore, combinata con uno schema di controllo feedforward-feedback per migliorare robustezza ed efficienza. Inoltre, viene introdotto un controllore PID Fuzzy-dual per il controllo centralizzato.

La ricerca richiede modelli calcolabili rapidamente per il controllo in tempo reale, come l’induzione elettrica. Un approccio multicriterio basato sulla simulazione aiuta a gestire i Sistemi di Produzione. È stato sviluppato un modello di simulazione per ottimizzare tempi e costi dei processi produttivi sulla base di dati iniziali e restrizioni.

1.3 Simulazione e controllo nella produzione di yogurt

Nella produzione dello yogurt, i fattori critici includono la preparazione del latte base, l’arricchimento della sostanza secca, l’omogeneizzazione, il pre-riscaldamento, le condizioni di incubazione e i trattamenti post-incubazione, variando tra yogurt a coagulo rotto o intero.

Le condizioni di incubazione influenzano le proprietà finali del prodotto, con i batteri lattici termofili che hanno una temperatura ottimale di circa 40-43ºC.

I biosensori, grazie alla loro precisione e sensibilità, sono considerati alternative ai tradizionali strumenti analitici per il monitoraggio rapido e affidabile della qualità e sicurezza degli alimenti, svolgendo un ruolo cruciale nell’agricoltura e nell’industria alimentare.

1.4 Software LabView

LabVIEW è un linguaggio di programmazione grafica che utilizza icone anziché righe di testo per creare applicazioni, basato sulla programmazione del flusso di dati. La strumentazione virtuale, che utilizza software personalizzabile e hardware modulare, sostituisce gran parte dell’hardware complesso con il software LabVIEW.

Questo strumento è utile per rappresentare fenomeni descritti da modelli matematici, permettendo di modellare e gestire facilmente fenomeni naturali di diversa complessità. LabVIEW include toolbox come Control Design & Simulation, utilizzati per progettare, simulare e ottimizzare controllori. Consente la variazione interattiva dei parametri di sistema per studiare la qualità del controllo in funzione dei parametri di rumore, accuratezza digitale e gamma di frequenza, generando sequenze di test in tempo reale.

Nel processo di produzione dello yogurt, è cruciale mantenere una temperatura costante tra 40 e 43 °C, con un set point di 42 °C, per lo sviluppo ottimale dei batteri Streptococcus thermophilus e Lactobacillus bulgaricus.

Questo lavoro di ricerca mira a controllare e simulare la temperatura nel processo di produzione dello yogurt utilizzando LabVIEW.

2.  Obiettivi

L’obiettivo generale dello studio è la simulazione nel controllo dei parametri di temperatura nel processo di produzione dello yogurt utilizzando il software LabView. Come obiettivo specifico si è individuato il controllo della temperatura nella fase di pastorizzazione del latte per la produzione di yogurt.

3. Materiali e metodologia

Per condurre gli esperimenti sono stati necessari un laptop Dell CORE i5 con 8 GB di RAM, un disco rigido da 500 GB, il software LabView, un laboratorio informatico. Lo yogurt è prodotto dalla fermentazione del latte con microrganismi come lo Streptococcus Thermophilus e il Lactobacillus Bulgaricus, che producono acido lattico conferendo sapore e promuovendo la salute intestinale.

Il processo di produzione include l’omogeneizzazione e il trattamento termico del latte, la fermentazione a temperature specifiche e il raffreddamento. Il controllo della temperatura, fondamentale in ogni fase, è simulato con LabView. Un termometro virtuale monitora le variazioni di temperatura, mentre LED indicano se la temperatura è corretta durante la fermentazione. Una manopola di regolazione e un pulsante di arresto garantiscono il controllo del processo, seguendo le raccomandazioni.

Figura 1. Termometro

Figura 2. Schermo grafico

Figura 3. Indicatori a diodi LED

Dopo aver strumentato con strumenti virtuali sul pannello frontale, si va al pannello del diagramma a blocchi, dove è installato il ciclo While Loop (consente ripetizioni nel sistema) (Figura 4), e all’interno si prendono gli elementi del pannello frontale, quindi si aggiungono i seguenti strumenti; numero casuale, moltiplicazione , costante numerica, unità di attesa successiva ms multiplo, confronto e registrazione della misura. I diodi LED sono stati abilitati per ogni parametro di temperatura utilizzato nel processo di produzione dello yogurt (on-off).

Figura 4. Ciclo While Loop (un costrutto di programmazione utilizzato per eseguire ripetutamente un blocco di istruzioni finché una condizione specificata è vera) con gli elementi principali del sistema.

Una volta completato il posizionamento degli elementi o degli strumenti virtuali, ogni elemento inserito all’interno del While Loop viene cablato. Conclusa la programmazione con il software LabView per il controllo della temperatura nella produzione di yogurt, sono stati effettuati i relativi esperimenti per mantenere la temperatura a 40-43 °C.

4. Risultati e discussione

Il pannello frontale (Figura 5) include strumenti virtuali come termometro, schermo grafico e diodi LED per monitorare la temperatura durante la fermentazione dello yogurt. Il programma può essere adattato per diverse fasi del processo, come la pastorizzazione e il raffreddamento, modificando i parametri di temperatura.

Figura 5. Pannello frontale virtualmente strumentato nel software LabView

Una volta posizionati tutti gli elementi nel pannello frontale e nello schema a blocchi, i componenti vengono cablati. All’avvio, il sistema funziona correttamente, fornendo dati di temperatura, visualizzando grafici e registrando valori numerici in Excel.

Figura 6. Ciclo While Loop con componenti del sistema di controllo e registrazione dei dati

La figura 7 mostra il sistema ad alte temperature vicine ai 52ºC, che sarebbero molto dannose nella fase di fermentazione, poiché richiede temperature comprese tra 40 e 43°C.  Temperature così elevate devono essere abbassate il più rapidamente possibile per mezzo del sistema di raffreddamento.

Figura 7. Il pulsante rosso indica che la temperatura del sistema è troppo alta nella fase di fermentazione, mentre deve essere compresa tra 40-43ºC.

Il pannello di controllo nella Figura 8 mostra la fase di fermentazione con una temperatura normale, all’interno dell’intervallo di 40-43ºC impostato per questa fase di produzione. Questa temperatura deve essere mantenuta per tutto il tempo necessario.

Figura 8. Pannello che mostra una temperatura normale (41.547ºC) nella fase di fermentazione del processo di produzione dello yogurt.

Nella figura sottostante (Figura 9), il pannello di controllo mostra che la temperatura è troppo bassa (17.389ºC) nella fase di fermentazione. Un sistema di riscaldamento deve essere utilizzato fino a quando la temperatura non raggiunge i 40-43ºC.

Figura 9. Pannello che mostra una temperatura della fase di fermentazione di 17.389ºC, che è al di fuori dell’intervallo consigliato. La temperatura deve essere corretta per mezzo di un sistema di riscaldamento.

Conclusa la programmazione nel software LabView, sono stati condotti gli esperimenti di controllo della temperatura nella produzione di yogurt, cercando di mantenere la temperatura ottimale, che va dai 40 ai 43 °C.

La seguente tabella 1, presenta i risultati ottenuti nell’esperimento randomizzato, dove il colore blu sulla scheda, indica quale processo viene raffreddato, il verde, indica che il processo è nel parametro normale e il colore rosso, indica che il processo ha una temperatura elevata.

Tabella 1 – Esperimenti effettuati con il programma di controllo della temperatura nella produzione di yogurt.

5. Conclusioni

Dalla simulazione è emerso che il controllo della temperatura tra i 40 e i 43ºC durante la fermentazione del latte nel processo di produzione dello yogurt è stato efficacemente simulato.

Sono state ottenute rappresentazioni grafiche delle variazioni di temperatura e valori numerici sono stati registrati in Excel. Questi dati saranno analizzati per ottimizzare il processo di fermentazione.

LabVIEW si è dimostrato uno strumento utile per simulare e gestire i parametri di temperatura nelle varie fasi della produzione dello yogurt, consentendo una modellazione accurata dei fenomeni descritti dai modelli matematici.

Tratto da: “Simulation in the temperature parameters control in the yogurt manufacturing process” di Honorato Ccalli Pacco et al./Procedia Computer Science 217 (2023) 286–295.