电气工程硕士开题报告

黑龙江科技大学在职攻读工程硕士研究生学位论文开题报告表工程领域电气工程工程硕士生姓名刘鑫工作单位校内导师姓名、职称杨庆江、教授校外导师姓名、职称卢文生、教授提交报告日期2012.5.16黑龙江科技学院学位办公室论文题目大豆蛋白及大豆榨油控制系统的研究论文类型（划“√”）工程设计研究论文√1、题目来源及选题依据：我国是世界上植物油料主要生产国，大豆、油菜籽、花生及棉籽是传统四大油料作物。其中，油菜籽、花生、棉籽的种植面积和产量均排在世界的第一位。食用油是人们生活必需的消费品，能给人们提供人体热能和必需的脂肪酸，也是食品工业、烹饪行业重要的基础原料之一，其供应状况与食物安全密切相关，反映了一个国家和地区人民生活及经济发展的水平，因此世界各国都非常重视植物油产业的发展情况。随着中国经济的飞速发展，人民生活水平的日益提高，近年来人们对食用油的质量要求不断提升，全球食用消费油主要是以植物油为主，这使得食用油行业的发展呈现出勃勃生机，进而推动植物油压榨业的飞速发展，市场前景广阔。大豆一直以来就是东北的主要种植植物，而大豆的深加工项目却一直以来就是我国东北大豆加工的短板，本课题就是建设一个日加工量1000T的大豆蛋白及大豆榨油的工厂。然而大豆蛋白的加工过程控制仍然要依靠大量的人工对现场的工艺参数进行适时控制，非常耗费人力，而且控制难度较大，且培养出熟练工人时间较长，在人力成本日益提高的今天，已经不能满足现代大工业加工的需求，所以必须进行自动控制、集中控制。而且在控制中如何做到稳定控制尤为重要。在安全已经成为各种项目中首要考虑的问题，而本设计由于工艺需求，必须使用正己烷（C6H14），在一定的区域内存在气体爆炸风险，所以在设计中不得不考虑气体防爆的问题，这涉及到整个控制系统的分布、防爆器件的选用、防爆仪表的选取、安全栅隔离栅的选取计算等。2、题目的目的意义、研究内容和预期成果：目的意义：技术创新才能永占不败之地，各行各业都需要创新。从满足“温饱”的数量增长、粗放型生产，转向“营养、保健、功能”的质量求精、市场需求型发展，各种新技术的应用贯穿于整个油料加工技术领域。本课题研究的目的就是设计开发出一套集大豆白豆片和大豆榨油于一体的自动控制系统，在满足生产工艺的要求下，能够全面实现自动化生产，减少人力财力，同时能够提高油料的利用率，满足生产高效率高精度。如今的社会是一个网络化的时代本系统中PLC通过以太网进行连接，上位机和下位机之间实现通信，通过profibus总线实现GE的3i和IO之间的通信。在生产中，操作人员不用去现场车间，在监控室就能观察到生产流程情况。此控制系统不仅可以应用在油料行业，而且还能够在饲料、轻化工、建筑和医药行业发挥重要作用。因此，此课题的现实意义是非常深远的，具有很大的发展前景。研究内容：本工厂生产过程主要为两部分：大豆预处理与浸出。预处理包括进料系统、慢速加热系统、快速加热系统、破碎系统、压胚系统，完成了大豆的预处理过程。浸出车间应用了正己烷进行处理，而正己烷是易燃易爆物品，所以此处所有电气元件均为防爆设施。进料系统通过磁选装置对料内的铁磁性物质进行去除，并使用profibus总线将数据传入PLC中。在此过程中会根据出料的情况来调整机器开放的数量；慢速加热阶段与快速加热相结合通过控制进豆出豆量来控制料位，蒸汽来调节加热器内温度，而且通过湿度传感器，对出风的湿度检测来辅助控制；浸出的主要作用就是将大豆中的油脂与豆胚进行分离，通过七次的溶剂与豆胚的浸出，达到将豆胚中的含油量尽量降低的目的，从而产生出溶剂与油脂的混合物——混合油。此过程中主要是通过PID实现对浸出器的入口料封进行着重控制，防止由于料封失效造成的溶剂蒸汽外泄，造成安全隐患。对混合油进行料位及压差控制，达到控制混合油的运动及进入混合油罐的比例。脱脂豆胚可以通过低温脱溶的方法生产出白豆片。预期成果：通过论文研究能够达到连续生产、安全生产，在即将达到或已经达到防爆气体设定阀值时作出相应的安全反映，要警告操作员进行相应处理，且报警后自动控制系统要能够自动启动相应应急程序，防止出现防爆气体浓度过大，从而减少大事故的发生；能够对较为复杂的控制环境进行稳定控制，达到相应的生产参数稳定，从而提高产品的质量及产量。3、国内外研究现状：进入21世纪以来，随着人们生活水平的提高，人们对大豆植物油、蛋白等的需求一再提高，而传统的处理仅仅是将大豆里的油脂榨取后将大豆粕用于饲料行业，这样大大浪费了大豆中含量很高的大豆蛋白。并且随着进口大豆的逐年上升，我国已经基本丧失了大豆的定价权，导致大豆种植面积逐年萎缩。这就需要提高大豆的附加值，大豆蛋白制品今后会越来越成为东北对大豆深加工的推动力。如今在国外，工厂的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上大都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，工厂运行效率较高、运行平稳。目前，控制的难点主要集中在气提控制和蒸脱过程控制。虽然国内外控制科学与工程领域的学者对大豆榨油及蛋白提取控制策略作出了深入的研究，取得了一些成果，但仍存在一些问题。CCR公司由中国中粮集团与美国嘉吉公司投资组建的合资企业。主要产品为玉米胚芽油，而且全部出口，所以企业严格按照美国食品标准进行生产，因此采用更安全更健康的压榨工艺生产玉米油。虽然CCR公司初建时引进了当时国外先进的榨油设备与工艺，但经过多年的生产，设备与工艺现在看来已经有些落后。胚芽油车间胚芽粕饼残为15%，与浸出（浸出饼残为3%）相比大约有10%的玉米油没有回收，按照玉米毛油现在的国际市场价格，公司每年的经济损失超过9000万元；与业内领先的巴西NFB公司玉米深加工企业的玉米胚芽饼残4-6%相比，差距很大。国外主要的榨油设备，包括德国的克虏伯、美国的安德森榨油机等普遍具有材质好、硬度大，采用多级压榨方式，处理量大，饼残低。能够连续生产，运行平稳的优点。国外榨油工艺流程简单，生产过程远程控制，生产工艺参数随时调整。巴西的NFB玉米工业公司的胚芽预热温度为140-145摄氏度，胚芽粕饼残为4-6%。CCR公司与之相比，大约有10%的胚芽油没有回收回来，工艺创新空间很大，需要研究存在的主要工艺问题。CCR公司的榨油机经常出现榨笼堵塞的故障，而NFB公司同类故障现象则大大降低，国内胚芽油企业榨油机榨笼堵塞的故障也较常见。针对玉米胚芽脂肪含量高的特点，国内大多数玉米深加工厂采用浸出工艺制取玉米毛油，不可避免毛油中含有浸出剂，对消费者有潜在的危害。2009年左青《De—Smet浸出工艺及技术(I)——浸出及脱溶系统》介绍了De—Smet履带浸出器、脱溶机、粕干燥冷却器的结构、设备特点、操作参数等，并对运行过程中出现的问题进行了分析，提出了解决问题的方案。不足之处是冷凝器的面积小或不合理则不能达产，面积过大，循环水的流速减慢，易短路，溶剂气体不能及时冷凝造成正压。2010年袁夫彩，王立柱《低温脱溶机关键技术的研究》分析了低温脱溶技术的工艺特点以及低温脱溶机的组成和工作机理；根据工作环境的要求，选择了驱动系统；建立了低温脱溶机链传动的优化设计数学模型，运用“惩罚函数法”进行优化求解；对低温脱溶机的轴体、筒体和密封系统等关键部件进行了设计。本文对残溶含量及水分控制相关研究仍有一定的不足，未能达到较高的控制效果。2012年李娜，黄耀江《植物油浸出技术研究进展》别介绍了植物油浸出技术中的有机溶荆浸出工艺、水浸出制油技术、酶法浸出工艺和超临界二氧化碳浸出工艺的最新研究进展及各自的优缺点。但是浸出效率还需进一步深入研究，同时距离实现连续化的工业生产还有一定的难度。4、拟采用的研究方法、技术路线和要解决的技术难题：研究方法：本文所研究的浸出过程应用了正己烷进行处理，进料系统通过磁选装置对料内的铁磁性物质进行去除，并使用profibus总线将数据传入PLC中。大豆中的油脂与豆胚分离、混合油进行料位及压差，主要是通过PID实现对浸出器的入口料封进行着重控制。脱脂豆胚可以通过低温脱溶的方法生产出白豆片。技术路线：本文首先对生产过程中的浸出系统进行研究与设计，具体是通过混合油的控制来降低大豆粕或大豆白豆片的含油量；其次研究脱溶过程，通过对温度及湿度的控制，以减少低温脱溶过程中蛋白的变质，达到提高蛋白含量的目的；第三，通过对仪表及控制系统中防爆类型的研究，实现安全生产及连续生产；第四，通过实现生产过程全面的自动控制，进一步提高劳动生产率，达到工厂每班运行人员在4人左右。主要的技术难题：1、大豆油与正己烷的分离系统，对系统负压、入混合油流量、出口流量、蒸发器内液位控制等多变量控制。2、防爆区域内实现集中自动控制的电气安全实现，以及紧急情况下系统如何反映。3、蛋白系统内或蒸脱系统内水分、速度、蒸发温度等参数及上下游设备的联合动作。4、浸出器的多位综合控制，包括溶剂、入料、防止溶剂蒸汽散发的料封控制、混合油循环的压差控制等。5、预榨与浸出车间之间不同的系统之间的参数传递问题。5、前期工作基础：前期工作主要内容是对大豆榨油生产过程整体研究与分析，并构建投料量每天300吨的米糠油生产线，同时有针对性的对生产线中关键系统进行分析与学习。此外对网络通信相关内容进行研究，找到并学习与本论文通信系统相关的文献与研究现状。6、论文进度安排：1周撰写开题报告2-3周对GE系列PLC进行了解并掌握相应软件4-6周研究工程工艺，对工艺进行分析7-8周设备选型及实施9-12周程序编写及模拟调试13周整体调试14周外文文献翻译15周整理撰写论文所用的相关资料16-17周撰写论文18周对论文进行修改并准备答辩7、参考文献：[1]吴道银.浓香花生油生产工艺简介[J].粮食食品科技.2000.8(6):8-9[2]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京:北京航天航空大学出版社,2007.152-154.[3]汪晓平.PLC可编程控制器系统开发实例导航[M].北京:人民邮电出版社,2005.62-65.[4]郭宗仁，吴亦峰.可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2004.393-396.[5]高钦和.可编程序控制器应用技术与设计实例[M].北京:人民邮电出版社，2004.108-110.[7]张运刚，宋小春.从入门到精通西门子工业网络通信实践[M].北京：人民邮电出版社.2007.92-98.[8]周瑞宝.花生加工技术,第1版.北京：化学工业出版社,2003.20-24.[9]何东平.浓香花生油制取技术,第1版.北京:中国轻工业出版社,2004.35-38.[10]何东平.油脂制取及加工技术,第4版.武汉:湖北科学技术出版社，1998.46-50．[11]西门子公司，S7-200PLC应用实例，1999.[12]廖常初.大中型PLC应用教程[M].北京:机械工业出版社，2005.63-65.[15]刘华波.西门子S7-200PLC编程及应用案例精选[M].北京：机械工业出版社，2009.89-96.[16]王卫兵.PLC系统通信、扩展与网络互连技术[M].北京：机械工业出版社,2005.300-305.[17]廖常初.西门子人机界面组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.42-43.[18]NilssonJ,BernhardssonB,WittenmarkB.Stochasticanalysisandcontrolofrealtimesystemswithrandomdelays[J].Automatica,1998,34(1):57-64.[19]KrishnaM,KangGS.RealTimeSystems[M].USA:Megraw-HillCompany,1997.[20]GuidetoIndustrialControlSystems(ICS)Security[NIST800-82]2007.[21]ZhangWei.Stabilityanalysisofnetworkedcontrolsystems[D].Ohio,US:CaseWesternRe