本发明涉及煮浆控制，尤其是涉及一种基于数字孪生的全自动煮浆系统。
背景技术：
1、我国豆制品有2000多年的历史，豆制品营养丰富，蛋白质不仅含量高，还含有丰富的维生素、矿物质、必需脂肪酸、膳食纤维等。在制作豆浆时，首先要对其进行清洗，然后再进行磨浆，将磨好的生浆再放到煮浆罐里进行煮浆。常见的煮浆方式有四种，分别是慢速煮浆保温、慢速传导煮浆、快速煮浆保温和慢速蒸汽煮浆，其中慢速煮浆保温，用夹层蒸气锅煮浆，煮沸豆糊后，保持10min；慢速传导煮浆：采用夹层蒸汽锅，在20min内煮沸豆糊；快速煮浆保温：采用蒸汽喷射煮浆，40s煮沸豆糊后维持80s；慢速蒸汽煮浆：采用蒸汽喷射煮浆，10至12min煮沸豆糊，经实验表明，相比于直接加热的煮浆方式，间接加热所制得豆浆色泽不佳，出现蒸煮味严重，蛋白质提取率偏低；而相比于没有保温效果的煮浆方式（慢速传导煮浆和慢速蒸汽煮浆），具有保温过程的煮浆手段（慢速煮浆保温和快速煮浆保温）所制得的豆浆胰蛋白酶抑制剂残留率较低，分别为13.89%和6.70%，均低于15%，而采用蒸汽加热保温的方式效果更好，其残留率比直接加热低60.8%，所以快速蒸汽保温的蒸煮效果最好。
2、在传统生产过程中，从制浆机下来后液体在缓冲槽中液位高低均由人来控制，前后管理好多设备，人很容易疲劳，出错。在煮浆过程中人员必须严格遵照工艺和设备操作的要求，确保品质，对人员的培训非常重要，不同的人员操作容易造成产品质量不稳定，容易出现操作失误造成产品质量不合格。在煮浆时温度不能实时检测，靠人目测和经验来控制蒸气阀门，出浆时会手动操作阀门，并且时时观察下游储浆容器是否会满或溢出，很容易造成溢出现象和烫伤，污染食品工作环境，造成不必要的损失。
3、数字孪生技术是一个实体产品的数字化表达，以便于我们能够在数字化产品上看到实体产品可能发生的情况。数字化产品在数字化设计与数字化生产的过程中，仿真分析模型的参数，可以传递到数字化产品定义的全三维几何模型，再传递到实体中加工成实际产品，实际产品又通过在线的数字化检测、测量系统反映到产品定义数字化模型中，进而又反馈到仿真分析模型中。
4、传统煮浆设备在自动化程度、精准控制和智能化方面存在一定局限性，难以满足日益提高的生产需求和质量要求。将数字孪生技术与食品加工设备相结合的经验相对来说不是特别丰富，仍处于逐渐发展和积累阶段，借鉴较优的蒸煮方式实验研究成果，保证豆浆的营养成分和口感，并基于数字孪生技术，减少人的不可控因素，设计一款操作简单，智能化的自动煮浆系统十分必要。
技术实现思路
1、本发明提供一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，鉴于数字化技术的迅猛进步以及智能制造理念的逐步兴起，数字孪生作为把物理世界与数字世界加以融合的新兴技术，和食品生产机械技术相结合，达成对食品加工流程的智能把控，用以解决上述背景技术里所提及的在传统煮浆过程中，因为煮浆设备对工艺要求的严格性，设备的复杂性以及操作人员技术水平的局限，存有生产效率不高、产品质量难以获得保障之类的问题。
2、第一方面，本发明提供的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，采用如下的技术方案：包括生豆处理模块、煮浆设备模块、控制模块、传感器模块、数字孪生模块和用户模块，所述数字孪生模块包括数字孪生生成器和数字孪生引擎，所述数字孪生生成器生成数字孪生模型，所述数字孪生引擎搭载深度学习算法和数字孪生模型对系统运行数据进行处理并生成运算结果，所述控制模块根据运算结果生成控制指令，并输出至生豆处理模块和煮浆设备模块。
3、进一步地，所述生豆处理模块包括大豆容器和磨浆机，所述大豆容器和磨浆机内均设有视觉传感器，所述视觉传感器用于检测大豆容器和磨浆机内的物料情况。
4、进一步地，所述煮浆设备模块包括六个连续的煮浆罐、进浆管道单元、出浆管道单元、cip清洗管道单元和蒸汽管道单元，所述煮浆罐的上部设有进浆口，所述煮浆罐的下部设有出浆口，所述蒸汽管道穿过煮浆罐的上部进入罐体内部，所述蒸汽管道在煮浆罐内部的管道上设有蒸汽孔，所述煮浆罐的上部设有减压阀，所述煮浆罐的顶部设置cip清洗管道进口，所述煮浆罐的顶部设有搅拌桨。
5、进一步地，所述传感器模块包括若干个传感器，其中，所述煮浆罐的上部设置第一温度传感器，所述煮浆罐的下部设置第二温度传感器，所述煮浆罐的上部设置压力传感器，所述煮浆罐的侧壁设置液位传感器，所述搅拌桨设置转速控制器，所述蒸汽管道单元上设置蒸汽控制阀，所述进浆管道单元上设置进浆控制阀，所述出浆管道单元上设置出浆控制阀，所述cip清洗管道单元上设置清洗控制阀。
6、进一步地，所述数字孪生生成器包括数据获取单元、数据处理单元、模型构建单元和验证校准单元，所述数据获取单元用于获取系统运行数据，所述数据处理单元用于对设备运行数据进行清洗与整合，所述模型构建单元用于构建三维模型并将处理后的数据与三维模型进行融合，所述验证校准单元用于将三维模型与系统运行数据进行比对，根据比对结果调整三维模型的参数和算法。
7、进一步地，所述构建三维模型并将处理后的数据与三维模型进行融合包括以下步骤：
8、利用bim软件构建三维模型，并对三维模型进行渲染；
9、建立运行数据与三维模型属性之间的映射关系；
10、利用mqtt通信协议对运行数据进行传输；
11、根据运行数据变化修改三维模型属性参数并进行可视化动态调整。
12、进一步地，所述数字孪生引擎包括优化生产工艺单元、优化设备清洗单元和优化设备保养维修单元，所述优化生产工艺单元用于优化学习多种生产配方，所述优化设备清洗单元用于优化清洗设备的时间和周期，所述优化设备保养维修单元用于优化设备保养、维修的时间和频率。
13、进一步地，所述数字孪生引擎搭载深度学习算法和数字孪生模型对系统运行数据进行处理并生成运算结果包括以下步骤：
14、构建深度学习算法模型，通过自动超参数调整和正则化优化模型；
15、利用数据集进行模型训练，采用分布式训练和交叉验证评估模型性能；
16、通过融合深度学习算法模型与数字孪生模型，确定中间数据交互格式；
17、使用实时流数据处理框架接入和处理实时数据，实现低延迟推理。
18、进一步地，所述控制模块包括工艺参数调节单元、设备清洗单元和设备保养维修单元，所述工艺参数调节单元用于生成调整设备的温度、压力、搅拌速度、煮浆时间、进浆和出浆的控制指令，设备清洗单元用于生成开启cip清洗管道单元上的清洗控制阀的控制指令，设备保养维修单元用于生成提醒设备保养和维修的控制指令。
19、进一步地，所述用户模块包括终端控制机，所述终端控制机设置显示器，所述终端控制机通过数字孪生模型可视化展示系统运行状态。
20、综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：
21、1、本发明提出一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，依据大量实验室数据，对深度学习算法模型进行训练，采用连续煮浆方式和蒸汽加热保温的方式进行煮浆，充分保证了产品的口感和营养，减少了豆浆胰蛋白酶抑制剂残留率，减少豆腥味，不需投放消泡剂，节约食品添加剂成本，整个煮浆设备模块设计合理，六个不同煮浆罐的煮浆温度不同，本发明实现了工艺要求较高的需求，操作人员通过数字孪生模型可以直观看到设备状态，并进行参数设置，人员操作控制变得简单；
22、2、本发明中的数字孪生模型可以存储多种优化的工艺配方，因为不同品质和种类的豆子以及其之间的配比不同，比如黄豆和黑芝麻配比制作黑芝麻豆浆等，其生产工艺不同，通过深度学习算法模型训练，优化多种产品的生产的工艺，控制不同罐内加热温度、不同罐内压力和不同罐内加热时间等，达到理想和稳定的产品质量，在煮浆还未完全结束时就可以开启下一轮的生豆研磨工序，减少了生产中停机时间，数字孪生模块可给出优化的生产和清洁保养计划；
23、3、本发明提出一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，通过数字孪生可以检测故障发生，提醒维修人员采取相应的维护措施，降低设备故障和维修成本，提醒维修人员定期保养和更换部件；
24、4、本发明提出一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，数字孪生模块具备自动模型校准和迭代的能力，生产过程中模型不断地学习和经验积累，可以进行工艺参数的优化和控制策略的调整，以实现更高的生产效率和产品质量，同时可以为操作人员提供可视化操作界面，实时查看煮浆系统的状态和性能指标，并生成运行记录、故障报告、清洗记录以及保养信息的报告。
1.一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，包括生豆处理模块、煮浆设备模块、控制模块、传感器模块、数字孪生模块和用户模块，所述数字孪生模块包括数字孪生生成器和数字孪生引擎，所述数字孪生生成器生成数字孪生模型，所述数字孪生引擎搭载深度学习算法和数字孪生模型对系统运行数据进行处理并生成运算结果，所述控制模块根据运算结果生成控制指令，并输出至生豆处理模块和煮浆设备模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述生豆处理模块包括大豆容器和磨浆机，所述大豆容器和磨浆机内均设有视觉传感器，所述视觉传感器用于检测大豆容器和磨浆机内的物料情况。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述煮浆设备模块包括六个连续的煮浆罐、进浆管道单元、出浆管道单元、cip清洗管道单元和蒸汽管道单元，所述煮浆罐的上部设有进浆口，所述煮浆罐的下部设有出浆口，所述蒸汽管道穿过煮浆罐的上部进入罐体内部，所述蒸汽管道在煮浆罐内部的管道上设有蒸汽孔，所述煮浆罐的上部设有减压阀，所述煮浆罐的顶部设置cip清洗管道进口，所述煮浆罐的顶部设有搅拌桨。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述传感器模块包括若干个传感器，其中，所述煮浆罐的上部设置第一温度传感器，所述煮浆罐的下部设置第二温度传感器，所述煮浆罐的上部设置压力传感器，所述煮浆罐的侧壁设置液位传感器，所述搅拌桨设置转速控制器，所述蒸汽管道单元上设置蒸汽控制阀，所述进浆管道单元上设置进浆控制阀，所述出浆管道单元上设置出浆控制阀，所述cip清洗管道单元上设置清洗控制阀。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述数字孪生生成器包括数据获取单元、数据处理单元、模型构建单元和验证校准单元，所述数据获取单元用于获取系统运行数据，所述数据处理单元用于对设备运行数据进行清洗与整合，所述模型构建单元用于构建三维模型并将处理后的数据与三维模型进行融合，所述验证校准单元用于将三维模型与系统运行数据进行比对，根据比对结果调整三维模型的参数和算法。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述构建三维模型并将处理后的数据与三维模型进行融合包括以下步骤：
7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述数字孪生引擎包括优化生产工艺单元、优化设备清洗单元和优化设备保养维修单元，所述优化生产工艺单元用于优化学习多种生产配方，所述优化设备清洗单元用于优化清洗设备的时间和周期，所述优化设备保养维修单元用于优化设备保养、维修的时间和频率。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述数字孪生引擎搭载深度学习算法和数字孪生模型对系统运行数据进行处理并生成运算结果包括以下步骤：
9.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述控制模块包括工艺参数调节单元、设备清洗单元和设备保养维修单元，所述工艺参数调节单元用于生成调整设备的温度、压力、搅拌速度、煮浆时间、进浆和出浆的控制指令，设备清洗单元用于生成开启cip清洗管道单元上的清洗控制阀的控制指令，设备保养维修单元用于生成提醒设备保养和维修的控制指令。
10.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的全自动煮浆系统，其特征在于，所述用户模块包括终端控制机，所述终端控制机设置显示器，所述终端控制机通过数字孪生模型可视化展示系统运行状态。
