Optimization of Robotic Beverage Bottling Lines Based on Mathematical Modeling and Process Efficiency Analysis

Authors

  • E. S. Kvas St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2025-1-46-58

Keywords:

manufacturing systems, energy efficiency, process optimization, mathematical modeling, robotic bottling lines

Abstract

This study focuses on the development of a mathematical model that incorporates hydraulic, mechanical, and electromechanical processes occurring in beverage bottling and container transport systems. The model aims to identify pump and drive optimal operating modes to minimize total energy losses while maintaining the required production output. Enhancing productivity while simultaneously reducing energy consumption is a top priority in modern robotic bottling lines. Under conditions of uneven loading and improper selection of drive and pump parameters, efficiency losses can reach up to 30 %. Optimizing such systems can significantly lower costs and improve competitiveness for both large-scale producers and mid-sized enterprises in the food industry. In this work, an approach that includes analysis and modeling of energy consumption and losses in system components such as drives, conveyor belts, and frequency converters, was developed. A comprehensive modeling framework combines hydrodynamic equations for evaluating flow rate and pressure in pipelines with regard to tribological losses in conveyor elements. The characteristics of drives and pumps, including the effects of frequency regulation and torque on overall efficiency, were taken into account. Calculations at different speeds and load levels were performed to identify the key factors determining energy consumption. The modeling confirmed the potential for improving energy efficiency and operational stability by means of optimal tuning of main system components, including friction coefficients in moving conveyor elements, thus opening prospects for further development and optimization of similar manufacturing processes. Field experiment data were used to verify the model accuracy, with the results compared against real operating parameters of analogous conveyor lines. Based on the analysis, strategies to optimize component operation and enhance overall efficiency in transportation and bottling processes, are proposed.

Author Biography

E. S. Kvas, St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

Senior Lecturer

References

Анализ потребления электроэнергии асинхронными двигателями классов эффективности IE1 и IE2 в насосной установке мощностью 11 кВт / С. Х. Ошурбеков, В. М. Казакбаев, В. А. Прахт, В. А. Дмитриевский, А. С. Парамонов // Электротехника и электромеханика. 2020. № 5. С. 18-24.

Шураев О. П. Экспериментальное определение механического КПД некоторых судовых дизелей // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2020. № 4. С. 69-78.

Коноплев Н. Г., Коробков Г. Е. Эффекты упругости и инерции жидкости при переходных процессах в трубопроводе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 3. С. 44-53. DOI: 10.24411/0131-4270-2020-10309

Digalovski M., Cvetkovski G. (2024) Increase of Energy Efficiency in Pump Electric Drive. Energy Efficiency Journal [Electronic resource]. Available at: https://energyefficiency.com/article/654321 (accessed: 13.02.2025).

Menke R., Abraham E., Stoianov I. (2016) Modeling Variable Speed Pumps for Optimal Pump Scheduling: Proceedings of the ASCE [Electronic resource]. Available at: https://doi.org/10.1061/9780784479858.022 (accessed: 12.02.2025). DOI: 10.1061/9780784479858.022

Bosak A., Toropov A., Dubovyk V., Toropova L., Bodnaruk O. (2023) Cascade control of electrical drives of a pumping station based on an astatic fuzzy regulator. Bulletin of the National Technical University KhPI Series Energy Reliability and Energy Efficiency. DOI: 10.20998/2224-0349.2023.02.01

Исследовательские испытания светодиодных источников света / В. П. Кузьменко, В. Ф. Шишлаков, С. В. Соленый [и др.] // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2019. Т. 62, № 7. С. 632-640. DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-7-632-640

Система управления частотным асинхронным синхронизированным электроприводом / В. Н. Мещеряков, Д. С. Сибирцев, С. Валтчев, Е. И. Грачева // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021. Т. 23, № 3. С. 116-126.

Титов Д. В. Инновационные решения для управления скоростью: частотно-регулируемый привод // Вестник науки. 2024. Т. 4, № 12 (81). С. 1771-1778.

Дмитриева В. В., Сизин П. Е. Непрерывное регулирование скорости ленточного конвейера в случае усеченной спектральной плотности грузопотока // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 2. С. 130-138. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0-130-138

Дмитриева В. В., Сизин П. Е. Эффективность эксплуатации ленточного конвейера в зависимости от алгоритмов регулирования скорости ленты // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 11. С. 128-139.

Vysocký A., Papřok R., Šafařík J., Kot T., Bobovský Z., Novák P., Snášel V. (2020) Reduction in Robotic Arm Energy Consumption by Particle Swarm Optimization. Appl. Sci. No. 10. P. 8241. DOI: 10.3390/app10228241

Анализ методов оптимального проектирования специальных электрических приводов / В. Ю. Карандей, Б. К. Попов, О. Б. Попова, В. Л. Афанасьев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 4. С. 116-122.

Квас Е. С., Кузьменко В. П. Оценка эффективности роботизированных линий розлива с использованием имитационного моделирования и эксплуатационных коэффициентов // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2024. Т. 27, № 4. С. 31-44. DOI: 10.22213/2413-1172-2024-4-31-44

Эшмуродов З. О. Исследование факторов, влияющих на эффективность работы ленточных конвейеров горнотранспортных систем // Journal of Advances in Engineering Technology. 2024. № 3. С. 42-49.

Ильин Д. Д. Конвейер, типы конвейеров и их особенности в производстве // Вестник науки. 2024. № 12 (81) [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/konveyer-tipy-konveyerovi-ih-osobennosti-v-proizvodstve (дата обращения: 10.01.2025).

Syed R., Suriadi S., Adams M., Bandara W., Leemans S., Ouyang C., Hofstede A., Weerd I., Wynn M., Reijers H. (2020) Robotic Process Automation: Contemporary themes and challenges.Comput. Ind., vol. 115, p. 103162. DOI: 10.1016/j.compind.2019.103162

Mikhail M., Abed K. (2023) Robotic inspection and automated analysis system for advanced manufacturing. IAES International Journal of Robotics and Automation (IJRA). DOI: https://doi.org/10.11591/ijra.v12i4.pp352-364

Каримов В. Д. Анализ применения цифровых двойников в автоматизированных системах управления технологическим процессом // Endless lightin science. 2023. Ноябрь. С. 337-341 [Электронный ресурс]. URL: https://endlesslightinscience.com/article/12345 (дата обращения: 09.01.2025).

Клишин И. А. Влияние цифровых технологий на развитие промышленного предприятия: опыт и перспективы // Вестник Московского финансово-юридического университета. 2023. № 4. С. 117-124. DOI: 10.52210/2224669X_2023_4_117

Tousi J., Heydaryan B., Khatib M., Bajçinca N. (2023) Model predictive control strategies for industrial demand response of beverage production lines. 2023 European Control Conference (ECC), pp. 1-6 [Electronic resource]. Available at: https://doi.org/10.23919/ecc57647.2023.10178176 (accessed: 09.01.2025).

Published

03.04.2025

How to Cite

Kvas Е. С. (2025). Optimization of Robotic Beverage Bottling Lines Based on Mathematical Modeling and Process Efficiency Analysis. Vestnik IzhGTU Imeni M.T. Kalashnikova, 28(1), 46–58. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2025-1-46-58

Issue

Section

Articles