Статья опубликована в №108 (август) 2022
Разделы: Сельское хозяйство, Техника
Размещена 04.08.2022.
Просмотров - 1352

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МОНИТОРИНГА ВЛАЖНОСТИ, ТЕМПЕРАТУРЫ ЗЕРНА И ВОЗДУХА В ХРАНИЛИЩАХ МЕЛЬКОМБИНАТОВ

Каландаров Палван Искандарович

доктор технических наук, профессор

Национальный исследовательский универститет Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства

профессор

Икрамов Гани Икрамович, Заслуженный изобретатель и рационализатор Узбекистана, Республиканский проектный институт «Уз Инжиниринг» при Кабинете Министров Республики Узбекистан, Главный инженер ГИПА

УДК 681.586.772

Введение

На зерноперерабатывающих предприятиях постоянно идет учет поступающего зерна, оно взвешивается, измеряется. Для этих целей используются современные тензометрические системы измерения веса, позволяющие уменьшить ошибки, связанные с человеческим фактором, а также внедряется автоматизированная система учета продукции, что даёт возможности делать их оперативно, и с наименьшими погрешностями.

Внедрение автоматизированной системы управления позволяет повысить эффективность управления хозяйствующим объектом, а следовательно, и роста его конкурентоспособности.

В зерноперерабатывающих предприятиях, как известно, широко используются такие приборы, как анализаторы влажности зерна и зернобобовых, хлопка и хлопковых семян, табачных листьев и продукции на их основе. Оперативный контроль влажности необходим на всех стадиях технологического цикла производства вышеуказанных продуктов. По ней определяют начало уборки урожая, устанавливают режим обмолотки, сушки, и хранения, а также качества полученного зерна и зернобобовых.

Зерно убирают в стадии технологической спелости, когда его влажность достигает 18…25 % и синтез питательных веществ еще не завершён [1–3]. Полная физиологическая спелость зерна, при которой наиболее полно выявляются его биологические и семенные качества наступает значительно позже, в период хранения.

Особенно это актуально при дозревании зерна, в период выделения влаги и роста влажности зерновой массы, когда влажность зерна достигает 20÷25% и синтез питательных веществ еще не завершен, причем при достижении спелости наблюдается рост влажности зерновой массы и окружающего воздуха, что чревато самовозгоранием урожая при повышении внутренней температуры а также потерей питательных составляющих зерна.    

В различных условиях всегда дело имеют с зерновым потоком, т.е. это территория с применением различнқх видов оборудования, комплексом машин, используемых после уборочной обработки зерна и площадками временного хранения (полосы). Обычно зерно принимают с полей через автомобильные весы, первоначально его взвешивают, далее очищают, потом сортируют, и временно хранят, протравливают, сушат, а также размещают в складах для длительного хранения.

 

Рис.1. Технологический цикл учета и переработки зерна 

Правильное хранение зерна, в соответствии с агротехническими требованиями, прописанными в нормативах и стандартах, гарантируют и предопределяют обеспечение постоянного оперативного контроля влажности и температуры зерна, а также влажности и температуры воздуха окружающей среды при его длительном хранении.

Вопрос внедрения комплексной автоматизации зернохранилищ элеваторов, мукомольных заводов и других объектов по переработке и хранению зерна является на сегодняшний день актуальной проблемой. Особенно это касается автоматизации технологических процессов сушки, хранения и перемещений зерна на указанных объектах, что позволят регулировать, контролировать и управлять поступающими данными с разных мест производственного процесса.

Материалы и методы

В настоящее время на практике используются различные системы и методы термометрии и влагометрии на зерновых элеваторах для контроля за температурой и влажностью хранимого зерна. Применяемые методы контроля за ростом температуры обусловлены нарушением условий хранения и процессами самосогревания зерна – самопроизвольного повышения температуры и влажности зерновых масс. Основной причиной является их плохая теплопроводность, т.к. образование тепла, превышающее отдачу его в окружающую среду, что приводит к самосогреванию. В результате чего образовавшееся тепло задерживается в зерне и вызывает непрерывный подъем температуры.

Повышение температуры зерна до 55-65°С обычно приводит к потере всех его потребительских свойств, а это основные убытки предприятия [4].

На сегодняшний день, большинство зерновых хозяйств, предназначенных для хранения большого количества зерна, оборудуются системами оперативного контроля температуры в различных точках зерновой массы, но при этом допускают часто игнорирование показателей влажности зерна в характерных точках хранилища. При этом оператор или диспетчер при необходимости приводит в действие системы вентиляции и продувки зерновой массы сухим воздухом до достижения необходимой температуры окружающего воздуха. Следует отметить, что повышенная влажность влияет на интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов, - как тех, которые составляют сам растительный плод, так и находящихся на его поверхности. Избыточное наличие влаги является катализатором, активизирующим физиологические и физико-химические процессы в период хранения зерна, таких как:

• прорастание;
• дыхание;  
• набухание;
• активизация ферментов;
• расщепление биополимеров.

Техническим базисом повышения эффективности технологии хранения и переработки зерна - «Организации автоматического контроля и управления» является автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП), хранения и переработки зерна, которая выполняет оперативный, жесткий контроль сырья, а также произведенной продукции. Кроме того, в задачи АСУТП входит отслеживание соответствия работы предприятия технологическому регламенту, проведение мониторинга деятельности технического персонала, занятого вопросами хранения и переработки зерна и зернопродуктов, а также правильность работы операторов, действия которых непосредственно влияют на эффективность того или иного предприятия, в составе которых имеются хранилища зерна, например, в мелькомбинатах [5].

Системы автоматики, термометрия, пункты весового контроля и другие подсистемы объединяются с учетной системой верхнего уровня для создания единой среды управления.

Структура АСУТП зависит от конкретной задачи, но, как правило, имеет трехуровневую структуру, нижний уровень включает в себя приборы измерения и контроля, информация с этих приборов передается на оборудование среднего уровня, где она собирается, обрабатывается и передается на верхний уровень.

 

 

Рис.2. Система управления элеваторным комплексом

При использовании автоматизации системы управления появляются условия позволяющее создать и объединить все подсистемы управления:

• учетную систему ERP предприятия;
• MES-системы, формирующие алгоритмы управления производственным процессом;
• системы автоматизации технологическим процессом:

- термометрию зерна,

- систему контроля доступа,

- видеоконтроль,

           - все процессы локальной автоматизации.

- данные датчиков и сторонних систем на элеваторе.

Схема специализированного решения для объектов хранения и переработки зерна, объединяющее все информационные процессы в единую систему управления показана на рис.3.

 

 

Рис.3. Специализированное решение для объектов хранения и переработки зерна, объединяющее все информационные процессы в единую систему управления 

При этом основными направлениями автоматизации является:

• внедрение систем нового поколения – компьютеризованных автоматизированных комплексов зерноперерабатывающих предприятий и хранилищ вместо существующих релейных систем автоматики;
• модернизация по хранению и переработке зерна, которая позволит обеспечить качественную подготовку зерна к размолу, включая формирование помольной партии, оптимальное автоматическое увлажнение зерна, принимая во внимание начальную влажность, а также целого ряда других характеристик, из которых важными можно отметить температурные параметры массы зерна и окружающей среды в хранилищах;
• автоматизированный учет продукции современными средствами, которые позволяют существенно уменьшить влияние человеческого фактора на результат взвешиваний и определение точности измерений контролируемых параметров, эффективно контролировать процесс приемки зерна, а также уменьшить вероятность возникновения различных потерь и недостач в работе персонала;
• внедрение автоматизированных систем, в которых произведена замена устаревших устройств по термометрии элеваторов и силосов современными метрологически аттестованными средствами контроля, обеспечивающих экономию энергоресурсов зерноперерабатывающих предприятий, элеваторов и зернохранилищ.

 

      Результаты

В автоматизированных информационных системах используются различные современные приборы и устройства по измерению влажности и по контролю температуры (термоподвески и термошпаги), разрабатываемые у нас в стране и за рубежом [6]. Через блоки опроса устройства для контроля влажности и температуры соответствующими датчиками циклически опрашиваются управляющими контроллерами, к примеру, модели УК-01, или управляющим компьютером оператора. Управляющий контроллер УК-01 предназначен для настройки и управления системами термометрии в целом, отображения информации о температуре и влажности внутри и вне силоса (бункера), формирования сигналов аварийной ситуации в системе при превышении установленного уровня измеряемого параметра, а также для связи с верхними уровнями интегрированной информационной системы.

Рассмотрим, в качестве примера, систему термометрии модели КАСТ-01, состав и назначение его ключевых элементов, программное обеспечение (ПО) с обработкой и сохранением информационных потоков данных. ПО устанавливается на персональных или промышленных компьютерах с оперативной системой Windows (ООО «Комплектэлектро Плюс»).  

Система термометрии предназначена для контроля температуры зерна в определенных местах силосов и тем самым, предотвращения взрывоопасных ситуаций, а также порчи продукции, причем подобный процесс возможно остановить на начальном этапе. Основными элементами КАСТ-01 являются термоподвески модели ТП-01, которые используют в составе как автоматизированных, так и систем, считывающих информацию о температуре зерна в силосах вручную с помощью считывания через РС-01. Термоподвеска ТП-01 представляет собой трубную конструкцию из полиэтилена с головной частью, внутри которой располагаются цифровые датчики через каждый метр с контактами подключения к системе управления. При необходимости датчики температуры можно располагать на большем или меньшем расстоянии относительно друг друга.

Для сбора информации с термоподвесок в системе термометрии применяются блоки опроса модели БОТ-01, БОТ-02, БОТ-03А, причем первые два предназначены для работы с цифровыми термоподвесками ТП-01, а БОТ-03А – для работы с аналоговыми термоподвесками, такими как ТП-50, ТП-53, ТП-53М и другими. Блоки опроса термоподвесок циклически опрашивают измерительные устройства и передают информацию на верхний уровень, как указано выше, в управляющий контроллер типа УК-01 или управляющий компьютер.

Учитывая особую специфику процесса хранения зерна, была разработана система автоматизированного контроля влажности зерна и воздуха в хранилище [7]. Функциональная схема указанной системы приведена на рис. 4

Рис.4. Система автоматизированного контроля влажности зерна и относительной влажности воздуха в хранилище

Программно-техническое обеспечение автоматизированной системы контроля влажности включает в себя:

аналоговый модуль ввода МВА8 — служит для связи и согласования датчиков с информационной сетью системы контроля;

интерфейсный модуль RS-485 — обеспечивает необходимую связь между МВА8 и информационной сетью системы контроля;

адаптер сети ОВЕН АС3-М — обеспечивает связь компьютера оператора с информационной сетью системы контроля;

ПК — компьютер оператора;

ОВЕН ТРМ133, ОВЕН ПЛК — логические устройства обработки измерительной информации. Структурная схема системы термометрии модели КАСТ-01 для зернохранилища показана на рис.5.

 

 

Рис.5. Автоматизированная система контроля температуры и влажности зерна для элеваторов и зернохранилищ

 Где: 1-элеватор; 2-подвески для подключения датчиков температуры и влажности силосов к управляющему контроллеру; 3-блок опроса подвесок элеватора;4-управляющий контроллер; 5-блок опроса аналоговых подвесок; 6-аналоговые подвески силосов; 7-программное обеспечение системы.

 

Программное обеспечение (ПО) системы термометрии КАСТ-01 осуществляет обработку и сохранение информационных данных, поступающих по RS-485 от БОТ-01 или БОТ-02. Настройка системы автоматизированного контроля температуры на базе цифровых датчиков осуществляется индивидуально для каждого оснащенного системой объекта: элеватора, зернохранилища, мелькомбината или комбикормового завода. ПО реализуется на основе персональных или промышленных компьютеров.

Некоторые ключевые особенности по термометрии:

- выявление положительной, устойчивой тенденции развития температурного процесса в зерновой массе;

- задание порогового значения температуры (выделение предупредительного и аварийного значения уровня сигнализации);

- создание архива данных о температурном процессе в зерновой массе, хранящейся в каждом силосе (бункере элеваторов и других объектов);

- показания количества сырья в силосах;

- цветовая индикация динамики изменения температуры в силосе;

- графики измерения температуры за определенный период;

- экспорт информации в EXCEL на заданную дату времени;

- интеграция в любую АСУТП предприятия;

- индикация фиксированного уровня насыпи зерна в силосах с выводом соответствующей информации.

Основные достоинства системы термометрии КАСТ-01:

- многолетний (более 15 лет) опыт работы в отрасли в различных действующих объектах;

- наличие в УК-01 32 дискретных программируемых релейных выходов для формирования сигналов тревоги и блокировки продувочных вентиляторов;

- повышенная надежность термоподвесок, обеспечиваемая, благодаря использованию высококачественного материала, и дополнительному армированию металлическими трассами;

- наличие универсального крепления позволяет устанавливать термоподвески как на крышу, так и под крышу силоса, а благодаря дополнительному элементу в нижней части, появляется возможность фиксации в полу для предотвращения наклона в процессе загрузки, а также перемешивания зерна;

- уникальный алгоритм определения уровня заполнения сырья в силосе;

- защита всех элементов системы управления от пыли, влажности и статического электричества;

- возможность интегрирования системы термометрии КАСТ-01 в любом АСУТП предприятия по хранению и переработке зерна.

 

Обсуждение

Поскольку влажность зерна при его хранении имеет определяющее влияние на потребительские и технологические свойства, так как повышение температуры при контроле параметров микроклимата в зернохранилище свидетельствуют о начинающемся саморазогреве зерновой массы, связанной напрямую с качеством продукции из нее, поэтому наличие оперативной информации о влажности зерна позволит прогнозировать возможный процесс разрушения и предотвратить его [8].

Кроме того, получение достоверной и точной информации о влажности зерна и относительной влажности воздуха в хранилище, которая воздействует на состояние зерновой массы в силосе, возможно лишь при использовании надежных помехозащищенных датчиков влажности как зерна, так и воздуха, а также современных программно-технических средств в автоматизированных системах мониторинга хранилищ.

Анализ ряда литературных источников, а также научных исследований
[9-15] подтверждают, что эффективность применения таких систем контроля затруднена тем, что на современном рынке средств измерений отсутствуют надежные помехозащищенные закладные датчики, сыпучих материалов, которые устанавливаются определенным образом в зерновой массе и согласуются с работой термоподвесок и гигрометрических датчиков воздуха, как элементов единой системы автоматизации контроля параметров зернохранилища [16-18]. На рис.6. представлена функциональная схема измерительного блока датчиков влажности зерна.

 

 

Рис.6. Функциональная схема измерительного блока датчиков влажности зерна, компьютера для преобразования измерительной информации с датчиков и управляющего контроллера элеватора 

Где: 1-датчик влажности элеватора; 2-измерительный генератор;
3-стабилизатор; 4,6-блоки формирования сигналов; 5-опорный ВЧ-генератор; 7-компьютер; 8-управляющий контроллер; 9-блок питания; 10-блок измерительной и опорной информации; 11-логический узел очередности передачи данных.

 

Для решения указанной задачи необходимо разработать ёмкостной первичный преобразователь, представляющий        собой плоский выносной датчик металлокерамической конструкции цилиндрической формы из титанового сплава, что позволяет использовать его в качестве закладного датчика в течение длительного времени без ухудшения его параметров [19-20].

Использование датчика в качестве первичного преобразователя, позволило создать опытный образец диэлькометрического экспрессного ВЧ-влагомера для зерна и зернопродуктов [21-23].

Применение современных автоматизированных систем управления помогла добиться успеха в производстве, снизить затраты, себестоимость продукта, а также повысить его качество, а это значит выйти на новую ступень конкурентоспособности предприятия [24-25].

Выводы

Подводя итоги можно сделать вывод о том, что применение АСУТП, позволяют в автоматическом режиме прогнозировать процессы самосогревания зерна, влияющих на посевные и питательные свойства зерна, качественно управлять потоками влажного и сухого урожая, а также процессом сушки и формирования технологических маршрутов в пределах предприятий.

Эффективное  управление системой термометрии, направленной на контроль температуры элеваторов, зернохранилищ, мукомольных предприятий, комбикормовых заводов, которая предназначена для непрерывного циклического многоканального измерения температуры сыпучих сред с целью исключения процессов самосогревания сырья, предотвращения взрывоопасных ситуаций, возможного возгорания продукта, что впоследствии приводит к выходу из строя оборудования или утрате потребительских качеств продукции и большим убыткам на вышеотмеченных предприятиях.

С внедрением автоматизированных систем управления необходимо заменить старые термометрии силосов и элеваторов на новые аттестованные и сертифицированные метрологические автоматизированные системы, а также небольшие, технологические участки производства нужно оснастить автоматами контроля качества зерна и его продуктов переработки.

Модульный принцип построения системы полностью решает проблему расширения степени автоматизации технологического процесса, а также при необходимости позволяет обеспечить добавление нового оборудования.

Благодаря управляющему контроллеру, производится установка дополнительных модулей и подключение к ним необходимого оборудования, датчиков и других устройств.

Тестовая и графическая информации и получение к ним доступа, решается использованием системы интерфейса, который включает в себя панель оператора и подключаемый параллельно персональный компьютер. Управление АСУ ТП осуществляется с персонального компьютера, где оператор получает всю информацию на экране, о выборе и параметрах настройки технологических маршрутов, а также регулирования режимов работы механизмов и устройств, количестве продукта, протоколы работы оборудования, и т.п.

1. Гуляев Г.А. Автоматизация послеуборочной обработки и хранения зерна / Г.А. Гуляев. -М.: Агропромиздат, 1990. -240 с.
2. Гуляев Г.А. Автоматизация контроля влажности зерна / Г.А. Гуляев, Ю.П. Секанов.: научно-техн. бюлл. -М.: ВИМ, 1978. - Вып. 7. -12 с.
3. Бородин И.Ф. Связь между электрическими параметрами зерновой массы и влажностью: сб. науч. тр. / И.Ф. Бородин, В.Н. Столбов, В.И. Загинайлов. -М.: МИИСП, 1977. Т. 14. Вып. 13. -С.12–14.
4. Каландаров П. И. Сверхвысокочастотная влагометрия и проблемы метрологического обеспечения / П. И. Каландаров, П. Р. Исматуллаев. -М.: Приборы № 7. 2011. -С. 40–44.
5. Балыхин М.Г., Борзов А.Б., Благовещенский И.Г. Методологические основы создания экспертных систем контроля и прогнозирования качества пищевой продукции с использованием интеллектуальных технологий. Монография. -М.: Франтера, 2017. -394 с.
6. Костин А.М., Яблоков А.Е. Благовещенская М.М., Карелина Е.Б., Савостин С.Д. Использование распределенных автоматизированных систем для интеллектуального мониторинга оборудования зерноперерабатывающих предприятий/ Сборник научных докладов II международной научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими и бизнеспроцессами в пищевой промышленности». Москва 2016. -С.10-16.
7. Савосин С.И., Солдатов В.В. Автоматизация контроля влажности зерна при его хранении. Вестник ФГОУ ВПО МГАУ №3.2008. -С.28-30.
8. Благовещенская М.М., Карелина Е.Б., Клехо Д.Ю. Разработка программно-аппаратного комплекса для контроля качественных показателей муки в потоке/ Сборник научных докладов II международной научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими и бизнеспроцессами в пищевой промышленности». Москва 2016., С.140-145.
9. Каландаров П.И. Научные основы влагометрии / Каландаров П.И., Логунова О.С., Андреев С.М// Монография. Ташкент. 2021. -174 с.
10. Каландаров П.И. Термогравиметрический метод измерения влажности: оценка точности и эффективность применения в агропромышленном комплексе/ Каландаров П.И. //Метрология. 2021. № 2. -С. 44-62.
11. Каландаров П. И. Высокочастотный влагомер для измерения влажности зерна и зернопродуктов // Измерительная техника. 2022. № 4. -С. 65–71.
12. Петров Г.П. Современное российское оборудование для определения влажности сельскохозяйственной продукции / Г.П. Петров // Хлебопродукты. 2018. № 12. -С. 22–25.
13. Iskandarov B.P., Kalandarov P.I. An analysis of the effect of interfering factors on the results of measurements of the moisture content of a material at high frequencies. Measurement Techniques, 2013, 56(7), стр. 827–830
14. Каландаров П.И. Особенности автоматизированного измерения влажности зерновых культур в полевых условиях / Каландаров П.И., Макаров А.М., Аралов Г.М. // Известия Волгоградского государственного технического университета. №1 (248). 2021. С.60-63.
15. Yu Narkevich M., Logunova O.S., Kalandarov P.I., Romanov Yu. P., Khushiev S. Results of experimental tests of building samples IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021, 939(1)
16. Структурно-параметрическое моделирование как инструмент определения критерия качества на складе бестарного хранения муки. Благовещенская М.М., Карелина Е.Б., Серпаков С.А., Благовещенский И.Г., Клехо Д.Ю. Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 4. -С. 36-39.
17. Благовещенская М.М. Основы стабилизации процессов приготовления многокомпонентных пищевых масс. Монография // – М.:ООО «Франтера» , 2009. - 281 с.
18. Kalandarov P.I. Design of grain humidity control devices for milles, technical Science and Innovation / Kalandarov P.I., Mukimov Z.M., Logunova O.S. 2021. № 2. С. 227.
19. Kalandarov, P.I., Abdullayev, K.K. Features of the technology of anaerobic processing of biotails using humidity control devices IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled, 2022, 1043(1)
20. Каландаров П.И. Контроль влажности агропромышленных продуктов на основе сверхвысокочастотного метода/Приборы. 2021. № 4 (250). С. 6-10.
21. Кричевский Е.С., Волченко А.Г. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов / Кричевский Е.С., Волченко А.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1980. – 165 с.
22. Микроволновая термовлагометрия / П. А. Федюнин [и др.]. – М.: Машиностроение, 2004. – 230 с.
23. Jomeh Z.E., Askari G.R. Mcrowave Drying, as Against Cjmbined Method of Drying Sliced Apple. Iran journal of agricultural sciences. 2004. Vol. 35. N3. 777-785.
24. Сивак Е.Е., Волкова С.Н., Герасимова В.В. Перспективы развития сельскохозяйственного производства в современных условиях/. - Курск: Деловая полиграфия, 2017. - 189 с.
25. Четвериков Е.А., Моисеев А.П., Каргин В.А. Совершенствование установки сушки расторопши за счет автоматизации процесса измерения влажности // Аграрный научный журнал, Саратов, №7, 2015 - С.52-55.

Рецензии:

5.08.2022, 17:38 Олевский Виктор Аронович
Рецензия: Уважаемый автор, сформулируйте пожалуйста отдельно научную новизну работы, как это требуют условия публикации.

Комментарии пользователей:

10.08.2022, 10:30 Олевский Виктор Аронович Отзыв: Введите это изложение в текст статьи и она будет достойна публикации.

10.08.2022, 14:46 Каландаров Палван Искандарович Отзыв: Спасибо за рецензию. Внесем в ранее поданную статю, ваши предложение.

Оставить комментарий