Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 8
1.1. Технологическая эффективность сортового помола пшеницы 8
1.2. Технологическая цель процессов размольного отделения 16
1.3. Особенность драного процесоа как элемента технологической схемы сортового помола 19
1.4. Анализ факторов, влияющих на режим работы драных систем 25
1.5. Существующие рекомендации по выбору режимов драного процесса 31
1.6. Драной процесс как объект оптимизации 39
1.6.1. Определение управляющих переменных 40
1.6.2. Критерии технологической эффективности 43
1.6.3. Анализ существующих математических моделей драного процесса 4#
1.7. Основные выводы и задачи исследования 52
Глава 2. Постановка и метод решения задачи 56
2.1. Выбор и обоснование критерия технологической эффективности драного процесса 56
2.2. Математическая постановка задачи 61
2.3. Модель распределения извлечений круподунстовых продуктов 64
2.4. Модель распределения содержания крахмала в круподунстовых продуктах 65
2.5. Математическая модель для выбора оптималь ных режимов драного процесса 67
2.6. Метод и алгоритм решения задачи оптими зации 69
Глава 3. Особенности методики исследования 78
3.1. Технический и химический анализ зерна пшеницы 78
3.2. Методика подготовки зерна к помолу
3.3. Характеристика исследуемого объекта 76
3.4. Методика определения диапазона изменения режимов измельчения по отдельным драным системам 79
3.5. Методика исследования влияния режимов измельчения на выход и качество круподунсто-вых продуктов и муки головных драных систем при постоянном качестве зерна
3.6. Методика исследования влияния режимов измельчения на выход и качество круподуистовых продуктов и муки головных драных систем при различном качестве зерна
3.7. Методика математической обработки результатов эксперимента В5
Глава 4. Экспериментальная часть 88
4.1. Исследования для определения диапазона режимов измельчения по отдельным драным системам 88
4.2. Исследования влияния режимов измельчения на выход и качество круподунстовых продуктов и муки при постоянном качестве зерна
4.3. Исследования влияния режимов измель чения на выход и качество круподунстовых продуктов и муки при различном качестве зерна 103
4.3.1. Влияние режимов измельчения на выход круподунстовых продуктов и муки и содержание в них крахмала при различной исходной влажности зерна .104
4.3.2. Влияние режимов измельчения на выход круподунстовых продуктов и муки и содержание в них крахмала при различной стекловидности зерна 117
4.3.3. Общие выводы 132
Глава 5. Производственная и лабораторная проверка математической модели и алгоритма оптимизации 133
5.1. Лабораторная проверка алгоритма оптимизации 133
5.2. Производственная проверка алгоритма оптимизации 135
5.3. Ориентировочный расчет годового экономического эффекта 140
Общие выводы по работе 141
Список использованных источников 144
Приложения 155
- Особенность драного процесоа как элемента технологической схемы сортового помола
- Модель распределения извлечений круподунстовых продуктов
- Методика определения диапазона изменения режимов измельчения по отдельным драным системам
- Исследования влияния режимов измельчения на выход и качество круподунстовых продуктов и муки при постоянном качестве зерна
Введение к работе
В свете решений ХХУІ съезда КПСС и задач Продовольственной программы СССР увеличение выпуска высокосортной муки на основе повышения эффективности использования зернового сырья является важнейшей задачей народнохозяйственного значения / I, 2 /. Увеличение выхода высоких сортов муки только на 1,0 процент в масштабах страны дает увеличение прибыли на 6 млн. рублей.
Генеральными направлениями в достижении поставленных целей являются коренное техническое перевооружение мукомольной промышленности, а также совершенствование технологии и методов управления технологическими процессами с применением автоматизированных систем управления АСУТП мукомольных заводов является технологическое обоснование и математическая разработка задач оптимизации технологических процессов с помощью ЭШ / 90 /.
В связи с тем, что процесс создания и внедрения АСУТП на мукомольных заводах страны сейчас находится в отадии становления, технологические исследования в данной области особо актуальны. Как показывает анализ состояния вопроса, такие исследования должны развиваться в направлении совершенствования методов оценки технологической эффективности процессов помола и уточнения математического описания процессов.
Настоящая работа посвящена вопросам повышения эффективности сортового помола пшеницы и имеет своей основной целью постановку и решение задачи оптимизации с помощью математического моделирования на ЭВМ процесса получения круподунстовых продуктов первого качества, оказывающего решающее влияние на достижение высоких результатов помола.
6 В связи с поставленной целью в работе решены следующие основные научно-исследовательские задачи:
исследование и обоснование путей повышения экспресснос-ти и объективности оценки технологической эффективности процесса и выбор критерия оптимизации;
исследование влияния режимов измельчения зерна и его качества на технологическую эффективность процесса с использованием более совершенных методов ее оценки;
разработки математической модели и алгоритма оптимизации процесса и их исследование в лабораторных и производственных условиях с целью оценки их работоспособности и возможного технико-экономического эффекта от внедрения результатов работы.
Научная новизна работы. Показана принципиальная возможность оценки технологической эффективности драного процесса по содержанию крахмала в круподунстовых продуктах первого качества при сортовом помоле пшеницы и предложен критерий технологической эффективности работы головных систем драного процесса, приближенно характеризующий степень извлечения эндооперма в круподунстовые продукты.
Проведено исследование влияния режимов измельчения и качества зерна на распределение содержании крахмала в промежуточных продуктах I ... III драных систем процесса. Выявлено существование максимумов зависимостей содержания крахмала от режимов измельчения и смещение максимумов при изменении стекло-видности и исходной влажности зерна, что подтверждает необходимость перенастройки процесса при смене помольной смеси и возможность его оптимизации по предложенному критерию.
Разработана математическая модель процесса, адекватно описывающая распределение содержания крахмала в промежуточных
7 продуктах I ... Ill драных систем в зависимости от режимов измельчения и показателей качества зерна.
Предложен алгоритм расчета на ЭВМ оптимальных режимов измельчения зерна на головных системах драного процесса.
Практическая ценность работы. По данным производственной проверки, применение разработанных модели и алгоритма позволяет повысить выход муки высоких сортов на 1,5-2,0 по сравнению с результатами, полученными при настройке процесса обычными методами.
Разработанный критерий может быть использован для сравнительного анализа и совершенствования драного процесса на действующих предприятиях.
Математическая модель и алгоритм расчета режимов измельчения предназначен для использования в качестве математического обеспечения подсистемы оптимизации драного процесса в АСУТП мукомольного завода.
Особенность драного процесоа как элемента технологической схемы сортового помола
Технологическая цель драного процесса - получение максимального количества круподунстовых продуктов наилучшего качества. Среди всех этапов процесса помола драной процесс признан как наиболее значимый /14, 15, 25, 26, 35, 39, 61, 63, 78, 81, 95/, определяющий результаты работы размольного отделения в целом. Принципиальная схема драного процесса / 31 / включает пять систем, причем П, Ш и ІУ разделены на крупные и мелкие (рис. 1.2). На схеме представлены и основные системы сортирования крупок. Основной операцией драного процесса и всего размольного отделения является измельчение (разрушение) зерна, промежуточных продуктов и распределение полученных продуктов по классам крупности. Измельчение проводят на вальцовых станках. Рифли на вальцах драных систем нарезают крупные, так как не требуется тонкого измельчения продуктов. Уклон рифлей небольшой, что снижает образование мелких продуктов и измельчение оболочек. Эту же цель преследует и установка рифлей в положение ся/сп. Отношение окружных скоростей вальцов на первых трех системах 2,5, на ЗУ и У уменьшено до 1,5, что снижает измельчение оболочек. Угол заострения рифлей 95, за исключением ІУ драной системы и У, где он увеличен до 100. При сортировании продуктов измельчения в рассевах сходовые продукты делят на две фракции по крупности и обрабатывают их раздельно в вальцовых станках последующих систем. Благодаря этому, обеспечивается более точный подбор режима измельчения для каждой системы и быстрое извлечение эндосперма.
Драной процесс подразделяется на два этапа / 31 /. На первом, основном этапе драного процесса осуществляется первичное измельчение зерна. Он включает в себя первые три драные системы, где извлекают особо ценные крупки и дунсты с высоким содержанием эндосперма, так называемые продукты первого качества. Чем выше их извлечение и чем ниже их зольность, тем лучше условия создаются для ведения последующих процессов. В конечном счете, выход муки высоких сортов определяется прежде всего величиной извлечения продуктов первого качества. На втором этапе драного процесса проводят вымол оболочек. Здесь образуется некоторое количество мелкой крупки и дунстов; это высокозольные продукты, которые относят к продуктам второго качества и получают из них, в OGHOBHOM, муку второго сорта. Общее извлечение продуктов в драном процессе достигает 8С$, в том числе муки не более 20$. Работа драных систем определяется режимом измельчения на системе. Под режимом следует понимать применение в совокупности механико-кинематических и технологических параметров на каждой системе, при которых достигается заданная степень измельчения зерна или его частей, для получения в драном процессе максимального выхода продуктов, соответствующих фракций по крупности и качеству. Режим характеризуется общим и частным извлечением. Величину общего извлечения устанавливают и регулируют изменением межвальцового зазора. На мельзаводах режим работы вальцовых станков устанавливают на основе рекомендаций "Правил организации и ведения технологического процесса на мельницах" или же выявленных в результате лабораторного помола.
Уровень ведения технологического процесса на мукомольном заводе определяется и контролируется показателями качества и количества круподуистовых продуктов и готовой продукции: общего выхода муки и ее средневзвешенной зольности, выхода муки по сортам и их зольности, белизной муки. Три первые драные системы являются наиболее значимыми не только в драном процессе, но и во всем размольном отделении. Это, а также четкая технологическая цель драного процесса и тесная взаимосвязь с остальными процессами размольного отделения, позволяют рассматривать его как первоочередной объект оптимизации в решении общей задачи повышения эффективности сортового помола. Рассматривая головной этап драного процесса как объект управления, необходимо в первую очередь определить все воздействия, оказывающие влияние на его технологическую эффективность.
Модель распределения извлечений круподунстовых продуктов
Очевидно, что извлечение круподунстовых продуктов на любой драной системе (по отношению к I драной системе) зависит от режима на данной системе (общего извлечения U-(OJt относительного количества продукта, идущего сходом с предыдущей драной системы ( ПЪо для I драной системы и Q. (Q для остальных), а также от комплекса показателей качества продукта, поступившего на систему. Поскольку такой комплекс может быть однозначно определен только для зерна на I драной системе, то для упрощения задачи примем допущение, что зависимость количества и качества промежуточных продуктов от качества исходного продукта в промежуточной форме проявляется только на I драной системе, а для остальных систем влияние качества исходного зерна будет учитываться в неявном виде коэффициентами уравнений.
Тогда для круподунстовых продуктов І-Ш драных систем можно записать: экспериментально. В правые части последних двух уравнений системы (2.7) входят Q (Q-извлечения верхних сходов предыдущих драных систем, которые в свою очередь являются переменными, зависящими от режимов предыдущих систем. Именно это обстоятельство исключает возможность произвольного выбора управляющих переменных (4s(t). Для учета взаимосвязи отдельных систем, как структурных компонентов модели воспользуемся известными соотношениями, вытекающими из материального баланса драного процесса
Концентрация крахмала в потоках промежуточных продуктов с драной системы, будучи величиной, характеризующей качество продукта, зависит от режима (общего извлечения) на системе, содержания крахмала в исходном зерне и от физико-механических свойств исходного продукта. Распространяя допущение, принятое в 2.3., на случай модели содержания крахмала, запишем зависимость для потоков круподунстовых продуктов:
В системе (2.9) зависимой переменной, обуславливающей взаимосвязь драных систем, является содержание крахмала в верхнем сходе Са,(0. Для расчетаС ( О введем понятие материального баланса крахмала на драной системе.
Очевидно, что количество крахмала, поступившее на систему с исходным продуктом равно сумме количества крахмала, содержащегося в круподуистовых продуктах, муке и сходе с системы. Тогда, например, для I драной системы справедливо соотношение:
Для определения Со,(0 по формулам (2.II) и (2.13) необходимо помимо зависимостей (2.7)...(2.9) располагать также зависимостями извлечения муки на системе от входных переменных и параметров:
В принципе, величиныйр(С-) могут быть получены экспериментально в виде зависимостей Однако, в связи с тем, что относительная погрешность определения содержания крахмала в сходових продуктах Cf ( ) методом Эверса будет выше, чем при определении Cnv(C) в потоках муки, то значение Са,(ч лучше определять по формулам (2.II)-(2.13). Совместное решение уравнений (2.7), (2.8), (2.14) и (2.9), (2.II), (2.12), (2.13), (2.15) при заданных позволяет рассчитать полный количественно-качественный баланс на І-Ш драных системах, т.е. определить извлечения всех промежуточных продуктов и содержание в них крахмала. Учитывая, что выбранный критерий технологической эффективности процесса включает в себя показателя количества и качества только круподуистовых продуктов, можно исключить из рассмотрения перемеЕйвеМ(3),Слг(3),$(3),Ср(з)щ драной системы. Тогда уравнения модели драного процесса будут иметь вид: критерий - JH . ,{00% Принятые ограничения: Зависимости (2.18), (2.19) описывают взаимосвязи между компонентами системы, т.к. позволяют определить при известных управлениях величины верхшх сходов и содержание в них крахмала, на основе уравнений материального баланса отдельных систем. Системы уравнений (2.7), (2.9), (2.16) и (2.17) представляют собой набор функциональных зависимостей, связывающих параметры качества зерна, управляющие и входные переменные отдельных компонентов с их соответствующими выходными переменными . Дальнейшие экспериментальные исследования направлены на раскрытие уравнений связи (2.7), (2.9), (2.16)...(2.19), входящих в математическую модель выбора оптимальных режимов драного процесса.
Методика определения диапазона изменения режимов измельчения по отдельным драным системам
Режимы измельчения, как и во всех последующих экспериментах, регулировали межвальцовым зазором. На первой драной системе извлечение изменяли от 5 до 30%, изменяя зазор с шагом на 0,5 мм. На второй драной системе -от 30 до 66%, а на Ш драной системе от 27 до 32%. Помолы проводили на пшенице ІУ типа, Краснодарского края, со следующими показателями качества: общая стекловидность 72%, натура -760 г/л, исходная влажность - 10,2%, зерновая примесь в исходном зерне - 4,0%, сорная - 0,4%, клейковина - 28% (I гр.). Влажность перед I драной системой во всех опытах составляла 16,2-16,5%, а нагрузка на мелющие валки I др. системы -930-960 кг/см сутки. Исходным продуктом второй драной системы являлся верхний сход І драной системы, полученный при извлечении ЦҐ(1) - 15$, для Ш драной системы - верхний сход П драной системы, при общем извлечении №()- 45$, по отношению ко второй драной системе. Анализ результатов эксперимента проводили по выходу всех фракций: верхнему сходу, крупной крупки, смеси средней и мелкой крупок, дунстов и муки и содержанию в них крахмала. Исследования проводили на зерне пшеницы ГУ типа, Краснодарского края, с общей стекловидностыо 72%. Влажность перед I драной системой 16,4$ и нагрузку 930 кг/см.сутки поддерживали постоянными. Схема помола представлена на рис.3.1. На основе выбранных диапазонов извлечения был составлен план, согласно которому на I драной системе выбирали три основные режима с общим извлечением tt (d)= 8 - 15 - 22$ и два контрольных WiJ= 18 и 26%, для более точного определения зависимостей. Каждый верхний сход I драной системы Q (і) при трех основных режимах был исходным продуктом для П драной системы, где также выбирали три основных общих извлечения Ш2)= 40-50-60$ (по отношению к данной системе) и два контрольных: 45 и 55$. Исходным продуктом третьей драной системы являлся верхний сход П драной системы Q(2) при основных режимах измельчения.
Общее извлечение на Ш драной системе составляло 35-45-55$ Исследования проводили согласно плану (табл.3.2) на зерне пшеницы I и ЗУ типа при качестве исходного зерна, представленном в табл.3.3. Для расширения диапазона исследования влияния режимов измельчения на выход и качество промежуточных продуктов первых трех драных систем при различной исходной влажности зерна искусственно снижали влажность путем подсушивания в мягком режиме и повышали ее влажность посредством увлажнения по общепринятой методике с 3-5 суточной выдержкой при 5-ЮС для достижения равномерного состояния. Таким образом были получены шесть партий зерна двух типов пшеницы: I и ВТ. Для I типа пшеницы с общей стекловидностью зерна 65% исходная влажность партий составила: первая партия - 10,0%, вторая партия -11,5%, третья партия - 13,2%, для ЕГ типа с общей стекловидностью 56% исходная влажность составила: первая партия -10,2%, вторая партия - 11,8%, третья партия - 13,4%. Для опытов при различной стекловидноети зерна выбирали низкостекловидную и высокостекловидную пшеницу I и ІУ типов. Партию со средней стекловидностью для I типа получали путем смешивания первых двух. Исходная влажность зерна пшеницы I типа варьировала в пределах 9,8-10,0%, а пшеницы ІУ типа 10,2-10,4%. Математическую обработку полученных экспериментальных данных выполняли по программе однофакторного и многофакторного корреляционно-регрессионного анализа, позволяющего получать линейные, квадратичные и степенные модели.
Обработка данных по этой программе производилась следующим образом /21, 40 /: - подбирали тип связи меаду рассматриваемыми величинами-вид уравнения регрессии; - определяли коэффициенты выбранного уравнения регрессии; - проводили статистическую оценку полученного уравнения. Коэффициенты уравнений определяли методом наименьших квадратов. Полученное таким образом уравнение в общем виде имеет следующий вид: При проверке значимости уравнений регрессии по критерию Фишера сравниваются два уравнения регрессии: уравнение { У pi-и Ура- US (3.5,) f т.е. во втором случае У считается случайной величиной с математическим ожиданием УБ и дисперсией Ьу . Выдвигается гипотеза о равенстве остаточной дисперсии So и. $у по первому и второму уравнению Полученное по уравнению (3.6) значение г сравнивается с табличным значением FT (ПО выбранному уровню значимости Х-0,0 /) и уравнение (3.1) считается значимым, если F Fr поскольку при его использовании получается меньшее значение остаточной дисперсии. Коэффициенты уравнения также проверяются на значимость.
Значимость отклонения отдельных коэффициентов регрессии &І. от гипотетических значений 0,с (обычно выдвигается гипотеза о независимости У от Xi , т.е. принимается &i О (проверяется при помощи t - критерия: где: Сс, С - диагональный элемент матрицы, обратной к матрице системы нормальных уравнений. Случайная величина tdl распределена по закону Стьюден-та GM-ҐІ І степенями свободы. Если J vvpit M-n-d- табличное значение fc -критерия при уровне значимости оС и числе степеней свободы Мl-± , то гипотеза об отсутствии влияния и -ого фактора отвергается и коэффициент СІС считается значимым. Для оценки влияния каждого фактора на анализируемый показатель в относительных единицах вводятся частные коэффициенты эластичности ЭС : где: XSC - среднее значение С -ого фактора; US - среднее значение функции. Эти коэффициенты показывают, на сколько процентов в среднем изменяется функция с изменением фактора на Т% при фиксированном значении других факторов.
Исследования влияния режимов измельчения на выход и качество круподунстовых продуктов и муки при постоянном качестве зерна
В вектор параметров качества зерна при построении модели на основе проведенного анализа литературных данных в гл.1 были включены исходная влажность зерна и его стекловидноеть. Исследования проводили на зерне пшеницы двух типов (I и ІУ), как наиболее часто встречающихся на мельзаводах. Всего было исследовано 10 партий зерна. Помолы вели согласно плану (табл.3.2), анализируя все промежуточные продукты, по трем основным и двум контрольным режимам измельчения. Результаты математической обработки полученного статистического массива экспериментальных данных представлены в приложении (табл.П2). Характер зависимостей выхода и содержания крахмала в промежуточных продуктах от режима измельчения 1/,0) в рассматриваемых случаях аналогичен при любом качестве исходного зерна, т.е. в общем случае они описываются уравнениями регрессии, представленными в предыдущих разделах главы.
Поэтому на графиках для П драной системы (рис.4.5, 4.6) из семейства полученных экспериментальных кривых представлены наиболее характерные зависимости, полученные при измельчении верхнего схода I драной системы с общим извлечением Ы(4) = 15%, т.е.#6/) = 85%, а результаты помолов Ш драной сиотемы представлены зависимостями, полученными цри6?Й)= 51,5% (по отношению к I драной системе). Пшеница ІУ типа была представлена тремя партиями зерна (смесь партий пшеницы Краснодарского (50%) и Ставропольского (50%) краев с общей отекловидностью 56% (с различной исходной влажностью WMX) :І партия -10,2$, 2 партия - 11,8%, 3 партия - 13,4%). Пшеница I типа также была представлена тремя партиями зерна Кустанайской области с общей отекловидностью 65% и исходной влажностью: 10,0% - I партия, 11,5% - 2 партия и 13,2% - 3 партия. В исследованном диапазоне изменения режимов измельчения на І-П драных системах выход круподунстовых продуктов и муки при измельчении пшеницы как I, так и ІУ типа незначительно зависит от исходной влажности зерна, а определяется главным образом выбранным режимом измельчения. Содержание крахмала в круподунстовых продуктах & ( (качество продуктов) при прочих равных уоловиях существенно зависит от исходной влажности зерна \0iwx , при этом влажность влияет как на само содержание крахмала, так и (что наиболее важно для оптимизации процесса) и на величину извлечения, при которой достигается положение максимумов кривыхСк(ч на I и П драных системах. При этом, как показано ниже, степень влияния влажности на качество промежуточных продуктов одновременно зависит от типового состава помольной партии. Проанализируем влияние исходной влажности зерна на содержание крахмала в круподунстовых продуктах при измельчении зерна I типа. Как видно на рис.4.9, 4.10 при изменении исходной влажности зерна от 13,2 до 10,0$ оптимальным, в смысле максимума, содержание крахмала, режимы измельчения различаются на I драной системе от 12 до 20$ и от 42 до 55$ на П драной системе. При этом необходимо отметить, что на I драной системе: в области "высоких" режимов 5-15$ абсолютные значения содержания крахмала чувствительны к исходной влажности зерна. Так, например, при общем извлечении U-U) = 15$, максимумы всех трех кривых Ск(1) лежат в области 15-20$. При общем извлечении U-(i) = 25$ изменение Wuc на 3$ содержание крахмала в крупках и дунотах изменяется от 60 до 73$.
