Оптимизация управления технологическим процессом рафинации растительных жиров Сибиряков, Юрий Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Выбор данного ТП в качестве объекта исследования с точки зрения его автоиа-'.изании обуслоглец сиро кии использованием сепагапионивк установок в практике промшшен його производства очинённых»' готовы* к употреблению жчгов, а также яиляюптхея исходный сырьси при производстве других видов масло-аировей продяснии (наргариня. майонеза и др. ). Приненепие сепараторов I пситрн*уг) при рафинировании жиров имеет снедукшие преимущества пегед другими аппаратами нєпрєрншого действия (нейтрализаторов, разделителей): более полная нейтрализация сво боднык хирют кислот за счет интенсивного перекєшинания центра лизуемого *«ра и реагирующих агентов: сокращение потерь вейт ральиого жира за счет сокраиения времени коптактироваїшя хиро вой и шслочпой Фаз: высокие степень и производительность пгопес са разделения Фаз. Внесте стен анали? эффективности работы хиро перерабатыпг.кчоих предприятии, оборудованных сепарациоиніми уста новками, показывает, что: низкое качество масло-ялропой продук айн обусловлено низким качеством первичной обработки сырья, в частности гаФинапией; основные потери хирочого сырья в процессе производства приходятся на стадию его первичной обработки. Это обуславливает необходимость совершенствования методов управления ТП Рги па сенпраішоніпіХ установках.

Основной задачей автоматизации ТП РРХ япляется задача огстчни зліти ргїимов Работы технологического оборудования (ТОї раФишччонпой лишім, реаекие которой обеспечит сыоокое качест ьс продукт;), сокрамелие потерь готового снрья в процессе нроиз водстпа, рафиютонашшх жиров.

771 РКЇ. реализованный на высокопроизводительной ТО. пред '.т«іі((іяст (<{ч)й последовательность технологических стадий (ТС), на каждой ич которых осуществляется вывод из исходного СЬРЬЯ yiift iv( Jn:iHio« группы Bi'tnecTu. Позтоиу, наряду с обеспечением ка [(лн-1 ко'іоччого продукта ТП и минимизации потерь сырья, акту ліміа з.чллч;! tornarocs ня технологических режимов (ТР) эчистки сырья г.а отдельных ТС ТИ мехду собой.

илчеспіие методи и «истоки управления ТП РРХ-ие обеспеЧива sot требуемого качества готово.'О продукта з условиях нестабильное и iMp;tnt'Tp')Tj сырьевого истока, потенпиалов теплоносителя и pea ге>пон и пр. нознуишеешх Факгорон, .характерных для лействужкпик производств, что снимет' обшу» эффективность ТП РРЯ по показате лян качества готоиого продукті, непроизводительным потерям лило

Последние исследования ТП РРЖ на' сепараиионных установках способстг от успешному решению поставленных загзч.

Обьектон исследова'"ія является процес щелочной рафинации растительньче жиров с разделением образующихся Фаз цєнтриФугкро ваііием, предусматривающий следующие виды обработка жирового сырья: гидратацию, щелочную нейтрализагь.л двухкратную промывку и сушку. ''_-''.";"

Цель работы г повышение эффективности ТП РРХ на высокопро изводидельном то путем дості ІЄІІИЯ нового качества управления ТП і'Рї. обеспечив шего соответствие кіі -іества продукта требованиям технологического регламента, оптимизацию и согласование ТР очис^-ки «ир.вого сырья по ТС ТП РРХ в условиях действуюпшх вознушеїшй с кининалышми непроизводктелышми затратани жирового сырья на производство рафинированных адров.

Нстод решения поставлений в работе задач заключается в сов нестигч использовании ?-?ории управления, методов математического и "ластерчого анализа, имитационного моделирования

На зашиту выносятся:, математическая модель (НИ) тп ррх, как об'єкта управления (ОУ»; комплекс алгоритмов решения задач верх него уровня <ВУ) АСУ ТП РРї; конплекс алгоритмов стабилизации оп тииалышх ТР <ОТР) гидратации, нейтрализации, пронывки и сушки ра Филируемых жиров, составляющих нгчний уровень (НУ) АСУ ТП РРХ. .. ' Научная новизна: і. Получена НИ тц ррх как ОУ, реализованно го, в аппаратах непрерывного действия, е. Разработан комплекс ал горитмов решения за».ач ВУ двухуровневой АСУ ТП РРХ,' обеспечиваю ший определение ОТР для реального ОУ в условиях действующего про изводства. согласование произврдитєлі іости ТО -таднй ТП РРХ нежду сооой с учетом нестационарности ряда параметров ТП, отказов ТО. '5. Разработан конплек; алгоритмов решения задач НУ А :У ТПРРХ, обеспечивающий стабилизацию ОТР обрагітки сырья по стадиям ТП РРХ.

практическая ценность. Тематика диссертации еоглгдуется с работами выполыяеншш на жироиерегабатызающих предприятиях насло-жировой отрасли шшевой промышленности с целью создания предприятий и технологичен .сих комплексов с высоком степенью автонатиз-тии и. механизации на базе средств микропроцессорной техники. Исследования проводились.в соответствие с темой НИР. НН гос. per.OJ890029908 < 5В?,)"Птсщ.леяне исследований, ічзработ ка и ввод в действие автоматизированную систему управления тех нологическяи процессами '>аФинаішоішого отделения на Московском хирк^чбинате". Резудт гатон исс/ дования является комплекс залич управления ТП РРХ па вг-окопроизводительных сепарапионных уста

новках, испсдьзоваиыый при создании ЛСУ ТП рафияационного отде ления на Московском хиркомбинате.

Внедрение результатов работы. Осношше положения, выдвину тне при исследовании ТП РРЯ и синтезе АСУ ТП. HCnojibjo«aun па весь стадиях исследования и разработки технической документации по созданию ЛСУ ТП раФинапиоігаого отделения Московского жирком бииата и, в частности, автоматизации высокопроизводительной раФи пационв >й устаиорки, оснаїиешіой сеиараторами.

Расчетный экономический эффект от внедрения АСУ aJ РРЖ на Яосковскон хиркомбилате составит 1>,0 тыс.руб . О>ок окупаемости затрат па внедрение и разработку АСУ ТП - 1.6 рода.

Отдельные алгоритмы проходили апробацию на этапах разра (>отки и внедрения,АСУ ТП гидрорег.'зациокного отделения по те не Н гос. рєр. 01823057106 (0136) (алгоритм вибора оптимального ко личественного соотношения рафинируемы^ хир - раствор щелочного агента при постоянной конпентраиии последнего), АСУ ТП рас<1 сов ки масла и произ элства майонеї . тема ч гос. per. 0186004727/6 (0237)(алгоритм контроля и сигнализации состояния ТО и средств управления АС¹' ТП).

Расчет экономичекой эФФехтгчностй производства хлровой продукции при внедрении АСУ ПІ ГП, сделанный на основе технико-экономического анализа производства в условиях Функционирования АСУ ТП, показал следующее: величина изг~чіения ко; Финиента иейт рализацич, определяемого отношением Qv/Gx. составила о. 2: про цент умемдпешш'величины отхода хира в соапсток составил 0.22/.» а годовая экономия - 104.367 тыс.руб. Снижение ротєрь ззтрояого сырья позволило на 7. 5К увеличить объем выпускаемой продукции. Общий годовой эконом, аский эффект ^ с внедрения АСУ ТП составил 296, 434 тыс. рук В год.

Анробания работы, материалы д.иссерта лонной работа докладі! налнсь и обсуждались на областник научно-театчеекгх конверсії нияк молодых ученых и специалистов 'г. Одесса, 1986-1903гг); не союзник научно-технических іссп^єрг -цинк (г. Одесса, 1989г, г. Грозний, 1991г); на республиканской сеіжнгре ХІЗСБ (г. Кнев, 1990г). ' '

Публика"!?», по натерїіалзи диссертация опубликовано & работ. Результати псс.-ієдоланиі'і г.спо^ьзооани при. цододнениц тек но НИР института "Пквепромаптоиатика*.

Структура и обьеи работа. Диссертация состоит из введения, четирег. глав, шводои, списка литератуги и Ч приложений. Список содержит 73 наименований на русском языке и 3 на иностранння язи кап. ОбшнЛ обьен лисе «танин: машинописного текста 11 ос.

приложений 70с таблиц 5. рисунков 15.

Приложения содераат данные ио АСУ ТП РРЖ, показателям ка честна ТП Р11. результаты эксперимента по идентификации НН ТП РГЇ. расчеты экономической эффективности и материалы внедрение.

Во иведении обосповивается актуальность работы. Формулирует
ся ке пели и ноііохения. выносимые на зашитиу, раскрыта новизна
работы. "'-.'

В первой ."лаве проведен анализ; ТП РРХ как ОУ качество» го товой продукции, существующих критериев и систем управления ТП РРХ: сФорнулироыана .іадлча управления ТП РРХ и определена кон цепний построения АСУ ТП РРХ,

Анализ ТП РРХ. как OV качествен готовок продукции показал: взаимообусловленность значений показателей качества ТП РРХ <со держаний в рафинированном жире 4осфатидов КГФ.свободных жирных кислот'К"схк. мыла К'н, воды К"в) и количества нейтрального жи рг. отхомягаего z прскстоклни в ходе тл РРХ; экстреналышй мрак тер зависимостей зиачени** указанных показателей от температуры ТП. концентрации реагирующих,растворов, гроизводительности про цес:а сепарации основного и побочного продуктов ТП! взаимосвязь режимов обработки жирового сырья по ТС ТП РРХ. .

Анализ сушсствутжих кгитегмев управления качеством ТП РРХ: показатели качества.ратинированного жара. производительности ТП. величины сырьевых и материальных затрат, на производство ратиниро ванных хиров. - показал следующее. - -

І.Лля оцелки качества ТП РРХ по показателям производитель ности целесообразно вместо Q"x в соотношениях.

Q*=dQ^ua/at . 5"= i\). где (}"х=О"г-»О"Ф+О"сжк*0"м»0*в (ДО"ж ^;- прирагаение, количества раф«і нироваиногл жира за временной интервал <Н; 0"г.СФ.0"сжк.0"и.Q"b - нйссогал* выход глкцеридов нейтрального жира. фосФаткдов. сво бодных жирных кмегог, ныла, водч(кг)). нссопъзовзтъ Q"г.- определяемое выражением .:''';"

Ч}"г--(1"жи_:Е*Ф-К^,схіс-К"МгК"в), , (2)
поскольку при измерений количества готового продукта на "выходе"
ТП его качественный состав остается неопределенный. Таким обра
зон. оценка качества ТП РРХ. .jo показателям производительности
Фактически представляет собой.оценку ТТІ цо показателям качества
конечного продукта. -

2. Использование количественных оценок расходуемых рссурсои

и их отклонечий от оптимальных значений для оценки качества Тії РРІ неэффективно в виду нечувствительности тих показателей к изменению качества конечного продукта процесса в связи с тем. что прирашение величины непроизводительных затрат ра< кодуеных в ходе ТП Ресурсов, вызванное отклонениями ТР раФинаї ш от ОТР в результате действия внешних возмущений, нало і > сравнени») с вели чиной непроизводительных з. трат этихресуг ов. обусловленной тех ническим состоянием ТО.

3. Дпк оценки качества ТО РРЖ по показателян К.- 1К<' Ксжк, Кн. Кв) вместо соотношений

К=К'-К" ИЛИ К=К'-К", (3)

целесообазно пользоваться соотношениями

K"mln=K'-K"min или K"rr-'n=K'-K"min, (4) так как оценка эффективности ТП РРЖ по (5) при нестабильности качественных показателей жирового сыр ч К'не является обьек

Значения показателей К"сЦг (К"Ф.ш1п,К"сжк. шіп.К'и. шіп, К"в. mini, расчиташше по ногмативішм нетодикан в зависимости от количества и качества исходного сырья зависят от применяемой технологии ра Филирования, вида жирового сырья, технических характеристик аппа ратов реализующих тєхиологіїчєскую схену процесса н. следователь но. отражают реальные возможности конкретной технической реал за ции ТП РРХ

В результате сравнительного анализа извесишх вариантов оте чествешшх и зарубежных систен управления ТП РР2 установлено. .то:. существующие АСУ ТП PPS но резают задачи вис ра и корректировки ОТР в условиях уеальноро производства из-за ото і-ствия в составе этих систем соответст уквтк і\.хниче? :их и ирограмшшк средств: не решают задачу согласования ТР по стадиям ТП РРЕ; не учитывают двдииические свойства ТО л _тоха лмеския характер возиуиеиий; нги управлении ТТІ РГХ стопное внимание уделяется стабилизации режимов і>абота ТО в соответствии с эксплуатапиошшни требования кн. Анализ причч низкой эффективности га ГРК ьа сспарадион. s установках, покачивает, что основними из них явдіются: недостатки в организации и управлении производством, степень изиса -J. пес табилмюсть качества исходного скрья и вспоногателышх материалов. з T3KSG недостатки сугжетвуюиик систем управления ТП PPS.

їіа основании проведенного анализа задача управления ТП ?РЗ Формулируется как задача определения и стабилизации ОТР, опти налькнх с точки згеиіш качества готового продукта, сырьевых зат рат на производство.

Вследствие селективности действии Реагентов ПО О.Я1ШЄІІК»

-е- >

к выводимый в коде ТП ррх вепестван глобальная оптимизация про цесса рафинации сводится к последовательности частных Спосталив них) оптигіизапнй. Задача определения ОГР олрабитки сырья во ста яшм та состоит в следуигаем. Вектору входных параметров XI веоб ходи, j пос шить в соответствие вектор управления Ш. доставляю

ШИЙ КСТРЄНУН

К*ИХ1.01) —> mm . 1=1....4 '"- '51

при ог акиченнях

^{

0"=0*зад. 1"за"с Q ч.
К-1<К"1.2 . TicPz.

х'і. нхнх-і.г . xi«C=>x. <б)

о'і,і<ико"і.г . шсОь
где '..«?,.?<* - ніюхества допустимых ревея й и значений гроизво
лительности установки, соответственно; 1.2 - индексы, обозначаю
пие соответ- твенно пихт» и верхнюю гр чипы интервадог ДОПУСТИ .
ных значений. Результатон рс«и..іия данной задачи является отиска
цие лекальных кстренуиов. соотг^тствловшх О'зад. Значения Х1.Щ.
гьи кото их выполняется условие (51 "при ограничен; х (61 опреде
ляют ОТР 0PtXl=Xl(!inX*ll. optUi=Ul(minK*ii. для последовательных
стадии.ТО условие согласования ТР. ш-дстазденвое в виде
min IXJ-X1I. J=l+i. ; : ' (ТІ

і .є 1 - не: *р стадич тп РРЖ. означает, что в качестве устаповоч ного на 1+1 стадии ТП РРХ выбирается режим, для которого расхеї денне экстремальных зш юний векторов optXl. орШІ со значениям-аналогичных паРане*^>ов на выходе предылувей стадии нинииагьио. Условие'(7), такий образом, обеспечивает выбор ОГР фушшионирова ния каждой из стадий ТП РРХ в зависиності от входных параметров. Стабилизация ОТР заключается в нининизапии отклонении теку них значений количества нейтрального жира K"cr.lltl. содержаяе гося в отходяних стоках на каждой из стадий ТП. от о&тнкадьвнх в результате действия возмущений VI<О и осуществляется на осно ванни данных автоиатического контроля плотности, и .наем отходя

Е X СТОКОВ -''

к'сг. і(ті=віпіЕ-сРі(Т)-кгі.шіпі. 1=1.г.'"'.-.. («1

'-" ш ,-. '/; '... ;:„.- '"-:"- "-^:""_'". ^: ."-;.-.'"

Исходя из требований предъявляемых к АСУ ТП РРЖ. а также " па лиза существующих систем предложена двухуровневая иерархическая структура АСУ ТП РГ"~. на ВУ которой решаются задачи расчета ОГР. коррекции расчетных значений рехикнщ; параметров но результатам контроля и анализа текувлх значений этих параке~»ов- На В» /ГУ ТП регаь»угся задачи стабилизации ОЯР по стадиям ТП РХЖ. .

Во второй главе приведены: резуя; .*аты аналитического весле

- 9 -'

дования Tfl РРІ как ОУ, методика и результата экспериментальных vc следований ТП РРЖ, оценки адекватности яодел" и анализ рсзульта тов аналитического исследования ТП РРТ.

Аналитическая модель ТП РГЗХ представлена как пс ледователь пая совокупность НИ процессов гидратации, иейтрализ ши, промывки и сушки, представляющих собой последовательно' гь технологичес ких операций подогрева исх того сьірья. емг-ивапия его с раство ром реагента, разделения очищенного хира и образовавшегося осад ка. олисш ієннх елстемой нелинейтшк дифференциальних " >авнений 1-го порядка. При моделировании пр- чессов подогрева, смептванир и разделения принята «опушения: 1) подогреватель рассматривается как объект с распределенными параметрами; гидрогчиаяическая струк тура потоков тенлоиос /гелей соответствует подели идеального вытес пения; теплообмен с внешней средой отсутствует; г) в смесителе ре ализуется гидродинамический рехин ипе~чъпого внтсспения; плотное 'ти и объемния расходы реагентов, объен реакционной насси. тпло сой зФФскт реакции постоянны; реакция происходит в гомогенной'сие тене при постоянной температуре; 3) разделение Фаз в сепараторе происходит мгновенно.

Лля опенки адекватности параметров ТЯ РРК стационарных ТР использовались данные эксплуатации сепараішонних установок, онуб лип ваннне г, литератуго, а также дашше эгсгтуаташш таких уст но иок из зшркоибинатах. предоставленных автору Носісм-скин Филиалом ВШІПК. Для оценки адекватности расчетни* динамических характерне тик та i-sX использовались экенгрниенталыше данние по иесдеде а и но кинетики формирования хлопьев іосіонмицг и. результаты пас сисного эксперимента, проведенного на 5-ти секш.лшой рафинадном noil установке A-LAVAL игоизво. .итедіь" -стыо 15т/ч на Московском кг ровон комбинате (Г-гао. Л jciimiwft эксперимент проводился и следу» ких условиях: .) і^чеянг.ііи' і гапс т ТІ! PI"' С.х, Gr>. Ох стабилизиро ванн; 2) действие возмущений по каналу К' осуществляется скачком при перезоле на обработку нове.» нартам жирового сдаьн: 35 ОУ под иег^ен дєйс'і'ізі!» "лучпйини некой лролируепый возьупісиии по ка шам К'. Зксиерянента.чынл; даішне к результаты численного модедироиа ник 'Ш РРЗ пгинедены и таблице 1.

Оценка адекватности результатом аналитического моделировании ТП і) экснепч-.-нташ-них дл''-'"'*"" показам: і) гоктм Работы иодогрэ натедей. а т.чкт м.чкууи-сут^.ьчего а::;-;'г.-^,.'"Л поддег'~кааКтся яое тояпннни; 2) стадии гидратации и нейтрализации явдп'отся основнії ни в лот'нироиані'іі качества готоиого продукта и наиболее сильно поднер^евіг лейстиіда перечислении-: вэзнУ'пагдпнх Факторов; І) управ денне качестіюч ТІЇ РРЗ но показателя*:» К" осунеетаявдт і гоі'уяиро

вапиен количества подаваемых растворов реагентов нри постоянной концентрации этих растворов; 4) управление качеством ТП РРХ по показач^ляи К*сг осуществляется регулированием давления хира Р" на выходе из сепараторов ТС ТП; 5) показатели плотности и массы от'одяппг в процессе рафинации стоков ногут быть использованы Нг7 оценке качества ТП РРЖ по критерию (в) в результате совнест ного решения систем уравнений материального балланса составлен ных "ли побочного продукта и с гсителя

Таблица 1. Экспериментальные и аналитические Данные процессов гидратации и нейтрализации подсолнечного наела из 5-ти секционной сепарационной установке ALFA-LAVAL

'

< < , (9)

cGc= rGcr+ oGc* pGcp, _s Gc=Gcr+Gco+Gcp, где 9 с. 9г, So. Sp - плотности отделяемых при сепарации стоков, нейтрального хиі>а. выводимого конпопента и реагента соответственно, G'x - объемный расход готового сырья (нЗ/с).; V - ос>ем снесителя »Vk'= биЗ). W -. константа скорости реакции <ияаче говоря, решение (9) позволяет осуществить реконструкцию процессов обработки сырья uo стадиям ' З PPI): б) опенка адекват -ности результатов аналитического моделирования ЛІ и эксперимент тальнык данных показала возможность использования НН для ререпия задач управления ти Р?Х при условии периодического уточнения ее ';. параметров в процессе функционирования системы. '--.' _; , , .

Полученные результати аналитического и экспериментально го исследования ^п РРХ были использованы при решении задач верхнего уровня (глава 3) и оптимального управления стадиями ТП РРХ (глава Ч) синте ируемой АСУ ТП. .

В третьей главе приведены алгоритмы решения задач ВУ АСУ ТП: контроля и анализа состояния (КАС) ТП; кластеризации ОТР и идентн Фикации НИ (КОТРИ) ТП; распознавания текущих и Формирования ОТР (РНФтр) ти. Формализации Функция координации работы отдельных ТС-(КФС). Решение задачи ^С ТП состоит в определении соответствия: сформированного'на основе НН тп системой управления образа ТР - ' реальному ТР. значений вектора l/і ограничениям (б), ^екушего ТР заданному, состояния ТО состоящие его ногнальной работы, - и пере дачи управления одной из задач "АСУ ТП (рис. і). Задача КОТРИ сфор мулиров па следующий образом. Даны: "ш«знаковое пространство

Cd z (область существоваЮЕ ТРТП)/ описываемое векторон Z=IX,U,К"I;- совокупность случайных объектов <ТР). координаты ко торых соответствуют имеюшенуся набору независимых переменных '-'., пектора Z. Необходимо: для набора Фиксированных значений; перемен ішх-X определить область существования ОТР- -.' rtQzi- исходя из предположения о тон. что максинум математического жидания появ ления случайного объекта в области opt Ог приходится на ее центр, определ! гь значения параметров идентификации НИ ТП по значениян , координат нентральпгЧ точки обласга opt С? z. Объединение обьек тов в кластер осуществляется односвязывашин нетодом ближайших соседей, который в наибольшей степени из числа суиествуюшга неї >' лов кластеризации соответствует характеру объекта управления: группы, состоящие вначале из одного of->екта, объединяются в клас