Система управления биотехнологическими процессами (стр. 1 из 3)

1. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Биотехнологические процессы, в которых целевой продукт образуется в результате жизнедеятельности микроорганизмов, давно применяются в пищевой промышленности, причем область их применения постоянно расширяется. К числу наиболее крупных относятся производства хлебопекарных дрожжей, спирта, вина, пива, уксусной и лимонных кислот и других продуктов. При всем своем разнообразии они имеют много общего в структуре (последовательности операций), аппаратурном оформлении, целях и задачах управления.

Типичным примером применения биотехнологического процесса является производство спирта, которое состоит из трех основных стадий: приготовления питательной среды (сусла) из крахмального сырья, например зерна; дрожжегенерации и сбраживания сусла дрожжами; выделения спирта из культуральной жидкости (бражки) путем брагоректификации.

Эффективность функционирования АСУ производства спирта определяется выбором структур АСУТП отделений и подразделений, их функциональными возможностями, комплексом аппаратных и программных средств микропроцессорной техники с учетом мощности предприятия и уровня автоматизации. Структурную организацию АСУ спиртового завода следует рассматривать как по горизонтали (где выделяются отделения и подразделения производства спирта, функционирующие в режиме задач управления законченным технологическим процессом спиртового производства), так и по вертикали (где выделяются уровни управления технологическим процессом этого производства). На рис. 1 приведена структура АСУ спиртового завода (АСУП).

Технологические отделения и подразделения в основном состоят из совокупности взаимосвязанных технологических аппаратов, агрегатов и установок, на которых протекает технологический процесс производства спирта и подготовка энергоносителей, теплоносителей и других материалов (на схеме обозначены сплошными линиями).

Рис.1 Структура АСУ спиртового завода

Автоматизированное управление технологическими отделениями и подразделениями осуществляется сменными технологами с помощью ПТК, SCADA-программы, АРМ АСУТП и АСУП и под руководством главного технолога и руководства спиртового завода (на схеме обозначены пунктирными линиями).

В первую очередь оснащаются микропроцессорными аппаратными и программными средствами наиболее подготовленные отделения и подразделения согласно изученности и достаточности информации об этих объектах управления, а затем, развивая АСУ спиртового завода, подключаются новые.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.

Сусло готовится на головных участках производства, где зерно подвергается очистке и дроблению, смешивается с водой, образуя замес, который подвергается тепловой обработке (развариванию) и осахариванию под действием ферментов солода или ферментных препаратов, получаемых путем микробиологического синтеза.

В системе управления отделением подработки зерна и приготовления замеса (рис. ) зерно со склада системой транспортеров I и норией II подается в приемный бункер III, из которого поступает на очистку в сепаратор IV и далее через промежуточный бункер V на порционные весы VI, которые обеспечивают контроль общего количества зерна, поступившего в производство. Затем поток зерна направляется транспортером VII и норией VIII в бункер-накопитель IX, из которого попадает в измельчающее устройство X. Размолотое зерно поступает в смесительную камеру смесителя–предразварника XI, где перемешивается с водой в однородную массу – замес. Из смесительной камеры замес подается в камеру предразварника, где нагревается «острым» вторичным паром.

Система управления отделением переработки зерна и приготовления замеса может быть реализована при помощи АСУТП, действующей в режиме «Советчик», который предусматривает использование локальных и сетевых контроллеров и ЭВМ и имеет два иерархических уровня.

Состав модулей:

1 – преобразователи (датчики) технологических параметров;

2 – электропневматические исполнительные устройства, пусковая электроаппаратура;

3 – локальные устройства управления ТП;

4 – микропроцессорные локальные контроллеры;

5 – микропроцессорные сетевые контроллеры;

6 – пульт управления оператора;

7 – сервер БД РВ;

8 – программно-технический комплекс (ПТК);

9 – управляющая ЭВМ отечественного или зарубежного производства;

10 – АРМ оператора (технолога, инженера, химика-аналитика и т. п.).

На первом уровне монтируются измерительные преобразователи (датчики), сигнализаторы параметров, локальные контроллеры (ТКМ21), средства управления исполнительными устройствами и пусковой аппаратуры. Пульты управления ТП и оборудованием в основном расположены по месту объекта управления. (Они состоят из металлических корпусов (массой 15 кг) со встроенными в них ТКМ21 в количестве трех комплектов (с «горячим» резервированием), модемов, блоков бесперебойного питания, аккумуляторов и других необходимых устройств. Взаимосвязь аппаратуры осуществляется с помощью HART-протокола посредством полевой сети Fieldbus HI.

Второй уровень предусматривает использование сетевых контроллеров ТКМ-51 с информационной мощностью, обеспечивающей аналоговых входов/выходов 64/32, дискретных входов/выходов 192/160 в количестве трех комплектов (с «горячим» резервированием) на базе ПТК «САРГОН» с управляющей ЭВМ (Pentium I), функционирующего в режиме операторской рабочей станции. Этот уровень управления имеет также сервер ОРС и БД на базе ЭВМ (Pentium I), АРМ химика-аналитика и АРМ оператора-технолога на базе ЭВМ IBM PC-486. Прием и передача информации осуществляются посредством промышленной сети profibus DP, возможно использование Modbus. ОС функционирует с помощью ОС Windows NT. Основное ПО системы управления обеспечивается SCADA-программой Трейс Моуд, реализующий основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе для контроля и управления. Оно состоит из инструментального и исполнительного комплексов. Открытость SCADA-программы обеспечивает функционирование СУ в ОРС-сервере, что гарантирует работу сетевых структур без специальных драйверов. В качестве ОС контроллеров используют типовую систему OS-9 или версии Windows, что позволяет применить прикладное ПО для контроллеров (например, технологические языки стандарта IEC 1131.3).

Информационная мощность АСУТП отделения подработки зерна и приготовления замеса составляет: входы/выходы 19/19, т. е. 38. Из них аналоговые входы/выходы 9/9, дискретные входы/выходы 10/10+5 (сигн.), т. е. имеется достаточный резерв.

АСУТП отделения подработки зерна и приготовления замеса обеспечивает отображение информации о состоянии ТП в режиме РВ, контроль поступления сырья и материалов, ввод задания и команд с клавиатур ПТК и АРМ оператора-технолога, а также управление ТП. Команды управления и данные вводятся в ПТК технологом с клавиатуры ЭВМ. В ПТК в этом случае входят модули ввода аналоговых, дискретных и чисто импульсных сигналов, необходимых для приема информации ПТК от измерительных преобразователей технологических параметров, информации о состоянии оборудования, от дискретных устройств, а также модулей вывода аналоговых и дискретных сигналов для управления исполнительными устройствами (клапанами, вентилями, заслонками, электродвигателями и др.).

Стадия подработки зерна

Основными задачами на этой стадии являются дистанционное управление, блокировка и сигнализация о работе системы машин и механизмов, которая обеспечивает транспортировку зерна со склада на переработку по определенному маршруту. Это осуществляет система управления, сигнализации и блокировки, в электрическую Схему которой поступают сигналы о частоте вращения электродвигателей норий и транспортеров, о их скорости от реле скорости (1–1 ÷ 4–1) и уровне зерна в бункерах от емкостных датчиков уровня с выходом на АЦП (ADAM-4012) (5-7 ÷ 7-1) и которая подает импульсы сигнализации на пульты ПТК и АРМ технолога.

Автоматический учет зерна, поступающего со склада в переработку, обеспечивает контактный счетчик (8-1), который при каждом отвесе порционных весов формирует электрический импульс, который посредством АЦП (ADAM-4016) поступает на счетчик электроимпульсов (8-2), установленный на пульте управления ПТК, для фиксирования на телемониторе и суммирования. Производительность (нагрузка) головных участков устанавливается с пульта ПТК или ПЭВМ (АРМ оператора). В состав САР входят дозатор-расходомер зерна (9-1), нормирующий преобразователь (9-2) и АЦП (ADAM-4012), регистратор АЦПУ (9-3), регулирующий канал ТКМ-51, поддерживающий ПИ-закон регулирования (9-4), ЦАП (ADAM-4021) и исполнительное устройство (9-5), в качестве которого используется регулирующая заслонка (шибер) с электрическим мембранным исполнительным механизмом.

Стадия приготовления замеса

Основной задачей управления на этой стадии является получение определенной концентрации крахмала в замесе, что обеспечивает САР соотношения расходов зерна и воды, поступающих в предразварник–смеситель с помощью регулирующего контроллера ТКМ-51. Расход воды фиксируется индукционным расходомером (10-1) с электровыходом, сигнал с которого поступает на АЦП (ADAM-4012) и далее на телемонитор ПТК и ПЭВМ (10-2), а также на регулирующий канал ТКМ-51 (10-3) в качестве регулирующей переменной. Электрический сигнал, пропорциональный расходу зерна, с нормирующего преобразователя (9-2) поступает на контроллер соотношений ТКМ-51 (10-3) в качестве задания, при этом оно может быть набрано на клавиатурах ПТК и ПЭВМ. Командный сигнал с выхода контроллера соотношения подается на привод регулирующего клапана (10-4) подачи воды. Системой управления предусмотрено регулирование температур в смесительной камере и камере предразварника, а также регулирование уровня массы в камере предразварника. Обе САР температуры состоят из датчиков – терморезисторных термометров (ТСМ) с электровыходом (11-1), (12-1) и выходом на АЦП (ADAM-4012) или модулей (ADAM-4013), регистрирующих устройств (АЦПУ) (11-2) и (12-2), регулирующих каналов ТКМ-51, выполняющих ПИ-закон регулирования, (11-3), (12-3) с выходом на регулирующие клапаны: {11-4) – на линии подачи холодной воды в смеситель и (12-4) – на линии подачи пара в предразварник. Для измерения уровня разваренной массы используется емкостной датчик (13-1) и модуль (ADAM-4012) в комплекте с регистрирующим устройством АЦПУ (13-2) и сигнализацией на пультах ПТК и АРМ технолога.