Автоматизированное весовое дозирование помольных смесей в мельничном элеваторе

1. Немного о технологии

Формирование помольной смеси при подготовке зерна к помолу – первая по ходу процесса и далеко не последняя по технологическому значению операция. Правильный подбор соотношения  зерновых компонентов с различной влажностью, содержанием клейковины, белизной эндосперма, а также с различной ценой, позволяет получить муку с требуемым выходом, предсказуемым качеством и оптимальной себестоимостью. Важным результатом формирования является также гомогенизация качества зерна – размах колебаний средневзвешенных показателей качества смеси всегда меньше, чем у ее отдельных компонентов.

Требуемый состав смеси рассчитывают в ПТЛ с помощью совершенных компьютерных программ. Состав партии смеси формируется по весу. Эту фразу необходимо запомнить, далее станет ясно, почему. Для проверки вручную готовят маленькие партии смеси, которые перерабатывают на лабораторных мельницах, из приготовленной муки делают пробные выпечки. Результаты, естественно, совпадают с расчетами, как по выходу, так и по качеству, да и хлеб получается хороший. Но далеко не всегда результат промышленной переработки партии смеси массой  несколько сотен или тысяч тонн зерна, сформированной по рецепту ПТЛ, хорошо согласуется с лабораторным прогнозом. В чем причины?

Ответ кроется, в первую очередь, в недостатках способов и техники формирования помольных смесей на большинстве российских мельниц.

Помольные смеси для промышленных мельниц всегда формируют непрерывным способом – в потоке, подавая одновременно все компоненты в сборный транспортер: в элеваторе – на ленту,  в мельнице – в сборный шнек. Большинство предприятий сегодня предпочитает формировать смеси в элеваторе. Тому есть ряд причин, главные из которых: многие мельницы не имеют в зерноочистках достаточного количества силосов для формирования, есть сложности с раздельной загрузкой компонентов в силосы неочищенного зерна и согласованием графиков работы элеватора и мельницы. Кроме того, при формировании в элеваторе он может работать в одну смену – сегодня это часто является решающим доводом при выборе места формирования и с этим можно согласиться.  

Компоненты смеси на элеваторе выпускают из силосов через реечные задвижки. Процентное соотношение компонентов задают степенью открытия шиберов, оцениваемой в лучшем случае линейкой, а обычно – количеством «зубчиков» рейки. Известно, что свободный выпуск сыпучих материалов через отверстие с  регулируемым сечением относится к объемным способам дозирования, причем плоский квадратный шибер – самый худший из возможных вариантов дозирующего устройства. Он имеет квадратичную расходную характеристику, т.е. «цена» одного сантиметра открытия или зубца рейки в тоннах в час различается в 3-4 раза при увеличении степени открытия в два раза. Особые трудности возникают с настройкой шибера при выпуске компонентов с малым процентным содержанием в смеси.

Но это полбеды. Давно известно, что весовой расход через шибер с постоянным открытием изменяется в зависимости от натуры, влажности и степени засоренности зерна в пределах до +/- 5 % от заданного значения. Особые проблемы возникают при выпуске из силоса остатков компонента, когда резко падает натура в результате самосортирования - «всплывают» легкие примеси и щуплое зерно. Истечение через шибер становится неустойчивым, а отклонения расхода достигают 15-20% задания. Ясно, что при этом какая-то часть смеси оказывается безнадежно испорченной. То же происходит и при перекрытии отверстия задвижки инородным предметом, что на элеваторах не редкость, а обнаружить это может только рабочий в подсилосе при периодическом осмотре шиберов.

Таким образом, применяемое повсеместно формирование помольной смеси в элеваторе объемным способом на задвижках сопровождается большими погрешностями содержания компонентов. Погрешности возникают  как при настройке рецепта, так и в процессе выпуска зерна на транспортер. Величина погрешности может быть сопоставима с процентным содержанием наименьшего компонента смеси.

Тут-то и следует вспомнить, что рецепт смеси рассчитывали в ПТЛ по весу  компонентов, из предположения, что каждый из них будет выпускаться из силоса одновременно с другими, с постоянным весовым расходом, строго пропорциональным его заданному процентному содержанию – в рецепте фигурируют десятые доли процента! А это можно сделать исключительно путем параллельного, непрерывного, весового дозирования компонентов. Только в этом случае будут основания ожидать, что результаты промышленной переработки всей помольной смеси  данного рецепта будут близки к лабораторному прогнозу выхода и качества муки. Поэтому все силосы, из которых отбираются компоненты смеси, должны быть, как минимум, оборудованы устройствами, стабилизирующими весовой расход зерна при колебаниях его натуры, влажности и засоренности – т.е. весовыми дозаторами непрерывного действия.


2. Что нужно для мельницы, а что – для элеватора?

Вопрос формирование помольных смесей по весу был давно решен на типовых мельницах с ВКО – для этого специально предусмотрены технологическая схема и оборудование зерноочистки. Можно обсуждать недостатки и степень износа устройств УРЗ, но свою основную задачу они выполняют – хоть старые, примитивные, но все же весовые дозаторы. Есть несколько мельниц, оснащенных АСУ ТП, где применяются российские электронные аналоги УРЗ. Непрерывные весовые дозаторы применяются также на всех мельницах, оснащенных импортными комплектами оборудования в зерноочистке. Хотя авторам известны случаи закупки зарубежных комплектов для подготовки зерна, когда дозаторы для формирования смеси исключались из состава поставки по экономическим соображениям. Это, безусловно, является принципиальной ошибкой и ведет к убыткам. 

Весовые дозаторы для формирования смеси в мельницах рассчитаны на работу в потоках с суммарной производительностью до 7-8 т/ч. ЭтоУРЗ и его аналоги, например – АСРЗ из номенклатуры ЗАО ВИК «ТЕНЗО-М», У1-ЕСР «Спецэлеватормельмаша» и т.п. За рубежом в связи с переходом на однопоточную подготовку зерна все шире применяются  дозаторы для суммарных потоков до 25-30 т/ч, например изделие фирмы «Бюлер» MZAH и ему подобные. Для формирования смеси и стабилизации нагрузок в зерноочистке весь мир применяет исключительно дозаторы с лотковым преобразователем весового расхода зерна, как наиболее экономичные и надежные. Погрешность таких устройств составляет 1-2 % верхнего предела дозирования, глубина  регулирования расхода – 1:10.

В элеваторе, в отличие от мельницы, производительность потока формирования смеси определяется возможностями норийного маршрута подачи зерна на весы. Как правило –  до 150 т/ч для 175-тонных норий и до 300 т/ч для 350-тонных. Поэтому для формирования в элеваторе смеси из 3-5 компонентов необходимы дозаторы значительно более высокой производительности: соответственно до 60 и до 100 т/ч каждый. По точности и производительности здесь подошли бы ленточные дозаторы. Но из-за высокой стоимости, обусловленной сложностью их механической конструкции и системы управления, они для рассматриваемых целей не применяются даже за рубежом. Трудность их эксплуатации подтверждается опытом  работы на комбикормовых предприятиях.

Лотковых весовых дозаторов с  производительностью, требуемой для мельничных элеваторов, отечественная промышленность до настоящего времени не выпускала.


3. Наш новый дозатор для мельничных элеваторов

Весоизмерительная компания «ТЕНЗО-М», отвечая на запросы мукомольной промышленности, разработала и предлагает на рынке новый, высокопроизводительный  лотковый тензометрический весовой дозатор непрерывного действия – «Альфа» - ДЛТ100. Дозатор создавался  специально для построения систем формирования помольных смесей в потоке на мельничных элеваторах, но может также применяться для дозирования любых видов хорошо сыпучих материалов, подобных зерновым культурам, в других отраслях промышленности.

Дозатор имеет предельную паспортную погрешность стабилизации заданного весового расхода 2 % от верхнего предела диапазона дозирования. По запросу покупателя дозатор может быть изготовлен на  один уз указанных пределов дозирования: 25 т/ч, 40 т/ч, 60 т/ч и 100 т/ч. Принципы, заложенные в конструкцию дозатора, допускают дальнейшее увеличение максимальной  производительности вплоть до 150 т/ч. 

Дозатор состоит из двух основных узлов – измерительно-дозирующего устройства (ИДУ) и шкафа автоматики (ША). По степени защиты от воздействий окружающей среды оба устройства соответствуют IP-65 и могут располагаться в производственных зонах зерноперерабатывающих предприятий. 

   ИДУ объединяет в общем корпусе два устройства. Первое -  измерительный преобразователь весового расхода сыпучего материала (расходомер) с лотковым чувствительным элементом, установленным на тензодатчике. Измерительный лоток расходомера облицован износостойким пластиком. Второе устройство – регулирующее, с секторной заслонкой и электрическим исполнительным механизмом. Оно предназначено для дистанционного изменения расхода материала на лоток расходомера. Сверху к корпусу ИДУ присоединяется квадратный или круглый элеваторный самотек. Снизу ИДУ открыто, к нему может быть по усмотрению Заказчика присоединен выпускной патрубок необходимой конфигурации. ИДУ имеет габаритные размеры 530х650х856 мм и вес до 50 кг. Корпус ИДУ снабжен уплотненной дверью для обслуживания расходомера и заслонки. Исполнительный механизм расположен снаружи корпуса и имеет встроенные сигнализаторы предельных положений заслонки.

  В ША расположены: регулирующий тензоконтроллер-терминал, органы сигнализации и ручного управления, система электропитания.  Терминал ША непрерывно преобразует сигнал тензодатчика в значение весового расхода и сравнивает его с заданием. При обнаружении отклонения, большего, чем допустимое, терминал управляет исполнительным механизм заслонки. Механизм поворачивает заслонку до восстановления заданного расхода материала на лоток. Суммируя сигнал расхода, терминал непрерывно вычисляет массу материала, прошедшую через дозатор. При достижении массой величины, заданной в качестве дозы, терминал закрывает заслонку. Терминал снабжен последовательным интерфейсом RS-485 для двусторонней связи с компьютером, что позволяет объединять несколько дозаторов в автоматизированную систему многокомпонентного весового дозирования.

4. Формированием смеси управляет компьютер

Первая такая система на базе новых дозаторов «Альфа»-ДЛТ100 разработана нашей компанией и с апреля 2007 г. успешно эксплуатируется на мельничном элеваторе ЗАО «Йошкар-Олинский комбинат хлебопродуктов» в республике Марий Эл..

Система предназначена для автоматизированного формирования смеси до 5 компонентов в потоке производительностью до 100 т/ч. В системе применены пять дозаторов, том числе – 4 с пределом производительности 60 т/ч  и один – 25 т/ч, специально для точного ввода компонентов с процентным содержанием менее 10 %.

Под систему формирования смеси была выделена группа из пяти оперативных силосов-«звездочек», расположенных в ряд вдоль подсилосного транспортера. Для монтажа дозаторов самотеки «звездочек» были отвязаны от общих выпускных  коробок с аспирационным отсосом (рис. 1). Использовать общую коробку для установки на нее дозатора в данном случае нельзя – дозатор будет ограничивать выпуск из силосов, не задействованных в формировании. Дозаторы смонтированы рядом с выпускной коробкой, непосредственно над транспортером и присоединены к «звездочкам» самотеком с ручной реечной задвижкой. Над каждым дозатором установлен емкостной сигнализатор наличия  зерна.

    Неотъемлемым элементом системы формирования смеси являются весы. В данном случае это были рычажные  весы с ковшом вместимостью 20 т и ручным взвешиванием. При внедрении системы весы были модернизированы для возможности подключения к компьютеру - применен тензодатчик для съема показаний и на нижнюю заслонку установлен дистанционно управляемый электропривод с сигнализаторами крайних положений. Модернизированные весы в системе работают автоматически и имеют тройное назначение: автоматизированный учет количества изготовленной смеси, первичная градуировка и периодическая метрологическая проверка дозаторов, а также постоянный контроль суммарной погрешности дозаторов в процессе работы.

    Для удобства работы с системой вся электронная аппаратура дозаторов, весов и органы ручного управления размещены в общем шкафу, расположенном в диспетчерской элеватора. Шкаф подключен к центральному компьютеру системы

    Наглядное представление о работе и возможностях системы дает рис.2, на котором изображен экран компьютерного рабочего места оператора. Оператор элеватора, получив из ПТЛ распоряжение на формирование смеси, вводит в компьютер рецепт смеси в процентах, влажность и клейковину компонентов, общую массу партии смеси, дозу, загружаемую в весы, и суммарную производительность дозаторов. При этом можно «поиграть» рецептом для оценки изменчивости средневзвешенного качества. Компьютер на основании введенных данных рассчитывает и передает в каждый дозатор  заданные значения производительности и дозы компонента на всю партию смеси. Все эти задания отображаются на экране.

    Оператор запускает дозирование мышкой с экрана и после этого система работает полностью автоматически. Процесс дозирования сопровождается перевешиванием суммарного потока смеси. В данном варианте система реализует циклы непрерывно-дискретного дозирования: дозаторы работают параллельно, отмеривая заданное количество доз для весов и останавливаясь на время взвешивания. Компьютер ведет протокол каждой дозировки и составляет итоговый отчет по каждой партии приготовленной смеси по системе «план-факт» с определением количества израсходованных компонентов, погрешностей процентного содержания по каждому компоненту и суммарной погрешности дозирования, т. е. расхождения показаний весов и дозаторов. Все эти показатели одновременно отображаются на экране в процессе дозирования для контроля со стороны оператора.

    Система автоматически блокирует, сигнализирует  и протоколирует любую аварийную ситуацию, которая может привести к нарушению качества смеси или завалам транспорта. Это может быть опорожнение «любой» звездочки, засорение и поломка любого из дозаторов, отказы маршрута или весовой задвижки, переполнение принимающих смесь бункеров и др. После ликвидации аварии оператору достаточно просто еще раз нажать кнопку «пуск» на  экране и процесс дозирования возобновится.           
    Работа с системой настолько удобна, проста и безопасна, что оператор элеватора освоил ее за две рабочих смены и, уходя на обеденный перерыв, спокойно оставляет работать ее самостоятельно.

5. Практические результаты

   Уже в процессе пусконаладочных работ и первого периода эксплуатации системы выяснилось, что наши новые дозаторы, проградуированные по элеваторным весам на дозах 15-18 т, имеют погрешность меньше 1.0 %. Фактическая точность дозаторов вдвое превзошла паспортную! Модернизированные бункерные весы имели погрешность не более 0.1 %, т.е. обеспечивали коммерческую точность взвешивания и учета. 

   Суммарная погрешность дозаторов, оцененная по весам,  во всех дозировках не превышала 1.2 %. Только при завершении процесса приготовления  всей партии смеси, когда заканчивались отдельные компоненты, погрешность возрастала до 2 %. Это происходило из-за уже упомянутого самосортирования – дозаторы «боролись» с крайне нестабильным истечением материала через заслонки.

   Эксплуатационная производительность системы составила 92 т/ч, что позволило изготавливать суточный запас смеси для 200-тонной мельницы за полсмены работы элеватора. 

   Для иллюстрации этих данных приведен типичный отчет по формированию (рис.3). Из отчета видно, что фактический рецепт смеси, а также показатели качества, усредненные по массе партии, сходятся с  расчетными до десятых долей процента. Это убедительно подтвердили анализы  ПТЛ, проведенные еще при дозировании первой партии смеси. Ради этого все и было задумано!

6. Заключение

   Производственная проверка убеждает, что наши новые дозаторы непрерывного действия будут востребованы в  мукомольной промышленности и не только в ней. Мы видим дальнейшие перспективы их совершенствования и расширения сферы применения. Эти устройства, например, могут быть с успехом применены на элеваторах для стабилизации нагрузки в высокопроизводительных линиях очистки и фракционирования зерна, для дозированной загрузки автомобильного и железнодорожного транспорта. На базе описанного дозатора наша компания сегодня разрабатывает гамму расходомеров для потоков сыпучих материалов производительностью до 250 т/ч и более, которые могут быть применены в системах оперативного контроля перекачки зерна в элеваторах и силосных складах.

   Задачи, полностью аналогичные формированию помольных смесей, существуют в комбикормовой промышленности. Новый дозатор позволяет создавать в силкорпусах комбикормовых заводов экономичные, легко встраиваемые  и высокопроизводительные линии подготовки зерновых предсмесей. Он также может применяться в линиях финишного напыления жидких компонентов на гранулированные корма.

   Мы надеемся, что опытные технологи-производственники, ознакомившись с этим материалом, своими советами еще более расширят наш взгляд на области применения нашей новой продукции.

   Сравнительный анализ показывает, что по техническим, метрологическим и весогабаритным характеристикам дозатор «Альфа»-ДЛТ100 не уступает очень немногочисленным зарубежным аналогам - отечественных аналогов такой производительности нами просто не обнаружено. При этом цена нашего дозатора в разы меньше, чем у зарубежных.

И последнее.

   В сегодняшней рыночной экономике для крупного оптового покупателя, в первую очередь – для хлебопеков, при решении вопроса: «У кого покупать?», выравненность качества  больших партий муки зачастую значит больше, чем просто качество или даже цена продукта. А для получения конкурентоспособной муки, при прочих равных условиях, решающее значение имеет стабильность компонентного состава помольной смеси, из которой она изготовлена. Поэтому наша новая продукция, описанная в этой статье, выгодна для потребителя, прежде всего, как эффективное средство конкурентной борьбы и улучшения сбыта.