Процесс производства муки, крупы и комбикормов включает в себя множество операций. Выполняют их определенные машины и аппараты, заданный оптимальный режим работы которых надо постоянно поддерживать. Однако в условиях современного производства полная неизменность режима не может быть обеспечена вследствие влияния таких факторов, как разрегулирование машин в процессе работы, степень износа их рабочих органов, колебание удельных нагрузок на оборудование и т. п. Все это отрицательно влияет на стабильность выполнения технологических операций.
Свойства поступающего в переработку сырья также подвержены вариации. Особенно это характерно для зерна, свойства которого формируются под влиянием его биологических особенностей, почвенно-климатических условий, метода уборки, послеуборочной обработки, условий хранения и т. п. Технолог на мукомольном, крупяном или комбикормовом заводе фактически имеет дело каждый раз с материалом, исходные свойства которого индивидуальны. Важную роль играют также особенности организации технологического процесса на данном предприятии. Таким образом, процесс производства муки, крупы и комбикормов зависит от огромного количества разнородных факторов, причем степень влияния большинства из них не поддается количественной оценке. Неизбежным следствием этого является непрерывная вариация условий, определяющих выполнение технологических операций, что сказывается на эффективности технологического процесса, оцениваемой выходом и значением коэффициента вариации выходных параметров подготовительного и размольного отделений мукомольного завода сортового помола пшеницы качеством готовой продукции.
Наименьшая стабильность характерна для поступления зерна на драную систему (нагрузки), выхода муки высшего сорта и зольности муки второго сорта. Установлено, что на выход муки существенное влияние оказывают внутренние факторы. Их доля составляет для муки высшего сорта 15 %, первого — около 55 %, второго — более 60 %. Влияние внутренних факторов на качество муки ниже и находится в пределах 10… 20 %.
Особо важное значение имеет стабилизация влажности зерна, поступающего в размольное отделение. Изменение структурно-механических свойств зерна и его анатомических частей, а также характера измельчения и сортирования продуктов приводит к тому, что при вариации влажности зерна в пределах ±0,1 % выход муки высшего сорта изменяется на ±0,8%, первого — на ±0,5% и второго — на ±1,0%. Приведенное в таблице значение коэффициента вариации влажности зерна 4…6 % означает, что абсолютные изменения ее равны 0,5…1,0 %. Значит, только благодаря влиянию этого фактора выход муки по сортам может снижаться или повышаться в следующих пределах: высшего — до 8 %, первого — до 5 % и второго — до 10 %.
Колебания зольности муки достигают для муки высшего сорта 0,08 %, первого 0,10 и второго 0,35 %.
Подобная картина характерна также для крупяных и комбикормовых заводов: вариация основных параметров технологического процесса является основным фактором, определяющим выход и качество готовой продукции. Следовательно, система контроля технологического процесса мукомольного, крупяного и комбикормового производства должна учитывать эту вариацию условий и обеспечивать высокую эффективность переработки сырья независимо от вышеперечисленных факторов.
Ручное управление технологическим процессом на зерноперерабатывающих предприятиях не может обеспечить стабилизацию его параметров. Установлено, например, что неравномерность выхода и показателей качества муки достигает 20…35 % (в относительном исчислении). Значительное влияние оказывают случайные возмущения, общая доля которых в нестабильности процесса может достигать более 50 %. Однако высокий уровень механизации, поточность и непрерывность процессов являются благоприятными условиями для их автоматизации.
При разработке и внедрении автоматизированных систем управления технологическим процессом или же отдельными его этапами необходимо руководствоваться следующими принципами:
- использование автоматизированных систем управления должно быть экономически оправдано, т. е. достигаемый в результате их внедрения экономический эффект должен перекрывать необходимые затраты средств, материалов, энергии и т. п.;
- автоматизированные системы управления должны обеспечивать оптимизацию процесса, т. е. поддерживать характеристические параметры процесса на заданных оптимальных уровнях, отвечающих наиболее целесообразному с технологической и экономической точек зрения ведению процесса;
- автоматизированные системы управления должны быть достаточно простыми, в связи с чем при их построении следует исходить из минимально необходимого объема информации, достаточного для их функционирования.
Каждая технологическая операция оказывает определенное влияние на конечный результат процесса — выход и качество готовой продукции и, в свою очередь, зависит от некоторого числа разнородных факторов, взаимосвязи между которыми могут быть неизвестными, а влияние каждого из них на результат данной операции может изменяться во времени в зависимости от конкретных условий.
При построении автоматизированной системы обязательно надо учитывать возмущающие воздействия или непосредственно, или же посредством анализа отклонений параметров режима от заданного уровня. В качестве таких возмущающих воздействий может выступать, в частности, состояние воздушной среды в производственных цехах, особенно в размольном отделении. Так, установлено, что при повышении относительной влажности воздуха с 50 до 65 % электростатический потенциал капроновых сит падает с 12 кВ до нуля. Это заметно сказывается на эффективности просеивания. Существенное влияние оказывают также затупленность рифлей валков, натяжение приводных ремней, колебания напряжения и частоты тока в электросети и т. п.
Применение статистических методов позволило установить, что количественно-качественные показатели технологических процессов переработки зерна следует рассматривать как случайные величины, их распределение в большинстве случаев подчиняется нормальному закону.
На этом основании в качестве показателя стабильности процесса можно выбрать величину среднего квадратического отклонения S величины определяющих показателей. При ручном управлении кривая 1 плотности распределения вытянута вдоль оси х. В результате проведенных мероприятий процесс был стабилизирован, что проявилось в существенном уменьшении величины среднего квадратического отклонения для кривой 2, хотя средняя арифметическая величина х показателя х осталась на прежнем уровне. Однако конечная точка правой ветви кривой распределения стабилизированного процесса заметно отодвинулась от предельно допустимого значения х0, установленного стандартом.
Вследствие этого появился резерв увеличения выхода муки. Если до стабилизации процесса, в условиях высокой вариации показателя качества, имелась определенная вероятность выработки муки с предельно допустимым значением х0, то после стабилизации эта вероятность исчезла. Значит, появилась возможность сместить вправо среднеарифметическое значение показателя х и поддерживать его на уровне хг вместо х. Смещение Ах=хг—х обеспечивает повышение выхода муки.
Степень стабилизации технологического процесса можно оценить величиной среднего квадратического отклонения 5 показателя х от среднеарифметического значения х: чем выше 5, тем выше стабильность. Вторым критерием стабилизации процесса может служить отношение средних квадратических отклонений до и после стабилизации Si/S.
Эта величина изменяется в пределах от 0 до 1. Чем меньше ее значение, тем эффективнее проведена стабилизация и тем большим может быть изменение качества и выхода муки.
Технологический процесс на зерноперерабатывающих предприятиях целесообразно рассматривать как многостадийный, что позволяет управлять процессом на основе управления его отдельными стадиями (этапами). В настоящее время эта задача решена для мукомольных заводов. Установлено, что для обеспечения высокой эффективности системы управления необходимо выполнить следующие условия:
- помольная партия должна иметь неизменные в течение длительного периода показатели качества, т. е. свойства зерна должны быть стабилизированы;
- должен быть обеспечен непрерывный количественный контроль основных технологических потоков, таких, как поступление зерна на I драную систему, извлечение продуктов первого качества и т. п.;
- технологическая схема должна быть по возможности упрощена и иметь высокую структурную устойчивость;
- система измерительных преобразователей должна обеспечивать непрерывное поступление информации о параметрах технологического процесса в некоторых основных (узловых) его стадиях.
На конечные результаты переработки зерна в муку и крупу примерно одинаковое влияние оказывает стабильность ведения процессов как в подготовительном, так и в основном (размольном или шелушильном) отделениях. В частности, в подготовительном отделении необходимо обеспечить автоматическую стабилизацию процесса гидротермической обработки в целом и процесса увлажнения зерна. В размольном отделении на выход и качество муки основное влияние оказывают режимы измельчения на первых I…III драных системах, 1-й и 2-й шлифовочных, 1…3-й размольных и на сходовых системах. Следовательно, прежде всего именно на этих системах необходимо стабилизировать технологические режимы.
При обычном ручном управлении увлажнением зерна на этапе гидротермической обработки значения влажности в течение одной производственной смены (8 ч) колебались от 16,8 до 14,5 %, амплитуда колебаний составила 2,3 %. После применения АСУ увлажнения амплитуда колебаний уменьшилась до 0,8 %, а диапазон сузился до границ 15,0…15,8 %. Этот пример наглядно показывает важность разработки и внедрения АСУ основными технологическими операциями и в целом АСУТП мукомольного, крупяного и комбикормового завода.
Отдельные этапы технологического процесса взаимодействуют друг с другом, поэтому изменение параметров одного из них отражается на параметрах других. В связи с этим нужна не просто стабилизация определяющих параметров на отдельных этапах, но синхронизация управляющих воздействий на всех этапах. Это определяется комплексным характером технологического процесса, его системной сущностью.
Применение математического моделирования позволяет выявить определяющие факторы эффективности процесса, качества готовой продукции и другие, а также оценить вклад каждого из этих факторов в конечный результат.
Таким образом, математические модели дают ценную информацию, являются руководством для выбора оптимальных значений параметров технологических процессов.
Создание АСУТП таких сложных процессов, представляющих собой системы, требует разработки математических моделей, формализованно описывающих процесс. В настоящее время созданы математические модели основных процессов мукомольного завода.
Анализ этих моделей показывает, что при избранных диапазонах изменения на I и III драных системах положительно отражаются на извлечении крупок первого качества и общем выходе муки. В то же время повышать извлечение на II драной системе нежелательно; по-видимому, его величина находилась в оптимальной области.
В качестве второго примера приведем математические модели холодного кондиционирования зерна, которые представляют собой систему из двух уравнений. Они определяют зависимость прироста влажности зерна kW и, длительности отволаживания т от показателей качества зерна. Для пшеницы I типа они имеют одинаковый вид, однако отличаются числовыми коэффициентами: для зерна I типа модели действительны в диапазоне влажности зерна от 8 до 15 %. На основе таких математических моделей выбирают оптимальные параметры, определяющие этапы процесса, и строят систему управления.
Для оперативного управления основными процессами АСУТП мукомольного завода разрабатывают на основе мини-ЭВМ. Завершается также разработка АСУТП комбикормового завода.
Важное значение имеет выбор контролируемых параметров, каждый из них должен быть определяющим на данном этапе технологического процесса. Систему контроля необходимо построить рационально, чтобы регистрировать только определяющие параметры, но в полном их объеме.
Задача количественного контроля — это определение соответствия фактических выходов готовой продукции заданным расчетным выходам. Необходимое условие — равенство массы израсходованного сырья сумме масс готовой продукции и отходов с учетом потерь, если они предусмотрены для данного технологического процесса.
На комбикормовом заводе необходимо суммировать массы всех компонентов, соотношение которых задано рецептом. Количественный учет ведут по каждому технологическому цеху раздельно. Для этого предприятия снабжают автоматическими весами или же расходомерами, которые устанавливают в местах поступления сырья и на конечных продуктах, включая отходы. Такая система позволяет вести практически непрерывный количественный учет технологического процесса, причем за любой промежуток времени может быть проверен баланс. При этом следует учитывать, что масса сырья и конечных продуктов может технологическом процессе изменяться в результате возрастания или снижения влажности. Поэтому при составлении количественного баланса необходимо учитывать влажность всех компонентов по данным лабораторного анализа.
Важное значение имеет рациональное построение контроля качества сырья и готовой продукции. Особенность состоит в том, что большинство показателей качества зерна, муки, крупы и комбикормов требует для своего определения значительной затраты времени (например, определение зольности). Поэтому их анализ проводят один — три раза в течение смены. Исключение составляет белизна муки, для определения которой существуют установки дистанционного контроля с непрерывной записью показателя на диаграммной ленте. Это позволяет технологу постоянно контролировать такой важный показатель, значение которого в пределах каждой отдельной партии зерна тесно коррелирует с показателем зольности, принятым в настоящее время для оценки сортности муки. Для остальных показателей качества муки, крупы и комбикормов, а также сырья для их производства методы анализов, позволяющие автоматизировать их определение, пока не разработаны.