Мир Знаний

Cистема Автоматизированного Управления процесса стерилизации биореактора

Приложение3


Отказоустойчивоеуправления(системы ПАЗ)– TRICON (TRICONEX)


Отказоустойчиваясистема управлениявыявляет икомпенсируетнеисправныеэлементы ипозволяетремонтироватьсистему вовремя выполнениязаданной задачибез прерыванияпроцесса.

Системыуправлениявысокой надежности,такие как TRICON,используютсяв технологическихпроцессах скритическимиусловиями,которые предъявляютжесткие требованияк безопасностии готовности.


TRICON - это современнаяотказоустойчиваясистема управления,основаннаяна архитектурес тройным модульнымрезервированием(TMR). TMR используеттри изолированныепараллельныесистемы управленияи диагностику,объединенныев единую систему.Система, использующаяпринцип мажоритарнойвыборки "два– из – трех",обеспечиваетвысокую надежность,безошибочностьи безостановочноефункционирование,и не имеет ниодного слабогозвена.

Сигналысенсоров вовходном модулеразделяютсяи направляютсяпо трем независимыми изолированнымканалам к одномуиз трех главныхпроцессоров.

Межпроцессорнаяшина TRIBUS выполняетмажоритарнуювыборку данныхи корректируетлюбые расхождениявходных сигналов.В результатеэтого гарантируется,что каждыйглавный процессориспользуетодни и те же

выбранныеданные длявыполненияприкладнойпрограммы.

Выходныепараметры затемнаправляютсяпо трем различнымканалам к выходныммодулям, гдевновь проводитсямажоритарнаявыборка дляобеспечениянадежности.Цифровая мажоритарнаявыборка выходногосигнала осуществляетсяс помощьюзапатентованнойсхемы учетвереннойвыборки, выборкааналоговогосигнала осуществляетсяс помощью аналоговоговыходногоселектора.Схема с обратнымисвязями обеспечиваетконечную оценкусостояниявыходногосигнала и диагностикускрытых ошибок.

Установкаи запуск системыTRICON облегчаетсятем, что тройнаясистема резервированияTMR с точки зренияпользователя,действует какодна системауправления.Пользовательустанавливаети подсоединяетдатчики иисполнительныемеханизмы кединой терминальнойточке цепи ипрограммируетTRICON с помощьюодной прикладнойпрограммы.

Диагностикакаждого независимогоканала, каждогомодульногокомпонентаи каждой функциональнойцепи позволяетобнаруживатьошибки

функционированияи сообщать оних. Все данныедиагностикихранятся вкачестве системныхпеременных,сообщениявыводятся насоответствующиесветодиодныеиндикаторы(LED) или на контактытревожнойсигнализации.Эта информацияможет бытьиспользованав прикладнойпрограмме дляизменениядействий поуправлениюпроцессом илипри техническомобслуживании.Все неисправныекомпонентымогут бытьзаменены воперативномрежиме безпрерыванияпроцесса! ЭтиособенностиTRICON обеспечиваютвысочайшуюнадежностьданной системы.

Основныеособенностисистемы TRICON:

отсутствиеслабых звеньевв системе;

  1. возможностьфункционированияс тремя, двумяили одним главнымипроцессорамиперед отключением;

  2. тройнаясистема резервирования;

  3. всеобъемлющаясистема диагностикимодулей;

  4. простойремонт модулейв процессеработы.

Системы TRICONприменяютсяв системахпротивоаварийнойзащиты (ESD) опасныхпроизводствна нефтехимическихи химическихзаводах; в системахпротивопожарнойбезопасностиплавучих платформ, котлов во многихобрабатывающихи перерабатывающихпроцессах; вуправлениигазовыми ипаровыми турбинами.

Высокийуровень безопасностиTRICON, обеспечиваемыйприменениемспециализированнойархитектурыи средств внутреннейдиагностики,соответствуеттретьему уровнюбезопасногодопуска SIL(Safety Integrity Level), определенномумеждународнымстандартомIEC 61508. Для уровняSIL3 стандарта IEC61508 определены:

  1. вероятностьвозникновенияошибки - от1.000 до 10.000 лет;

  2. готовность- 99.90 - 99.99%.

Также системаTRICON сертифицированаАссоциациейТехническогоНадзора (Германия)(TUV) для использованияв производствахтребующих“German Safety Requirement Class 5 and 6”.


Приложение4


Полеваяшина - Fieldbus


Современнаямикроэлектроникапредлагаетразработчикамтехническихинформационныхсистем возможностьдобиться высокиххарактеристикпри относительнонизкой цене,позволяетреализоватьфункции автоматикивне блокацентральногопроцессора,например, встанках, агрегатах,датчиках иисполнительныхмеханизмах[19].

Такое смещениефункциональностив сторонупериферийноготехнологическогооборудования(децентрализация)выявило потребностьв новых видахкоммуникаций.Прежде передачаи обработкасигналовосуществляласьза счет простоговключения вавтоматизируемыйпроцесс некотороговычислителя,однако сегодняинтеллектуальныекомпонентыавтоматизируемогопроцесса требуютспециальноразработанныхвидов связей,действующихв рамках ихсобственнойфункциональности.Появлениецифровогоинтерфейсасделало переходк локальнойсети почтинеминуемым.Этот вид сети,функционирующейна нижнем уровнесистемы автоматизациинепосредственнорядом с технологическимпроцессом,получил названиеfieldbus (полевая шина,или промышленнаясеть).

Кнаиболее известными применяемымв мире открытымпромышленнымсетям относятся:CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, FF, DeviceNET, SDS, ASI, HART инекоторыедругие. Каждаяиз перечисленныхсистем имеетсвои особенностии области применения.Большие усилиянаправленысегодня наразработкуаппаратно-программныхшлюзов (мостов)из одного протоколав другой. И этирешения составляютотдельныйсегмент продуктовв областиfieldbus-систем.


Метод квалиметрии


Vетодквилиметрииразработалвидный русскийматематик,механик икораблестроительакадемик А.Н.Крылов.Название методапроисходитот латинскихслов qualis– какой по качествуи metreo– измерение,то есть измерениекачества иобозначаетотрасль науки,занимающейсяи реализующаяметоды количественнойоценки качествапродукции. Внастоящее времяквалиметрияполучила развитиеи признаниеу специалистов.Квалиметриюможно рассматриватькак частьисследованияопераций,объединяющуюметоды количественногообоснованиярешений, принимаемыхв управлениии обеспечениикачества каксоставнойважной частиэффективностипродукции навсех этапахее жизненногоцикла –проектирования,производстваи эксплуатации.

Основнаясуть квалиметрическогометода оценкихарактеристикпрограммируемыхлогическихконтроллеровсостоит в следующем:

1. Строитсядерево свойств,показывающеевзаимосвязимежду сложными,простыми иэлементарнымисвойствами.Дерево свойствстроится всоответствиис рядом правил:1) признак деленияна свойствадолжен бытьодин и долженотражать данныеоднородныесвойства, тоесть смешиватьразнородныесвойства вгруппе нельзя;2) лишние, дублирующиесвойства недолжны включатьсяв дерево свойств;3) в дерево свойствдолжно бытьвключено минимальноеколичествосвойств; 4) допускаетсявключать вдерево свойства,которые неимеют критерияв конкретномвыражении, новажны для оценкиданного объекта.Далее проводитсяэкспертизадерева свойствспециалистамина предметсоответствияпоставленнойзадачи квалимитрическойоценке, а такжена предметправильностиего построения.При этом всепростые иэлементарныесвойства должныбыть провереныв части наличиядостоверныхсопоставимыхколичественныхпоказателей.

2. Определениекоэффициентоввесомости,которое проводитсяв соответствиипо следующейсхеме: 1) уяснениеэкспертамицелевогопредназначениямашины в решаемойзадаче (оперативноеи тактическоеназначениемашины [10,27] и условияэксплуатации[10]); 2) составлениеиндивидуальнойанкеты дляустановленияненормируемыхкоэффициентоввесомости погруппам, которыекомплектуютсяпо дереву свойств;3) назначениененормированныхкоэффициентоввесомости (

,
-число экспертов)в группах приусловии, чтонаивысшемупо значимостисвойству экспертназначаеткоэффициент10 балов, всемпрочим устанавливаютсяменьшие значениякоэффициентовв зависимостиот снижениязначимости;4) согласованиемнений экспертовпутем обсуждений,где устраняютсяотклоненияв оценке более20% (если такиеотклоненияимеются, тоназначаетсявторой турэкспертногоопроса понесогласованнымоценкам илипроведениесогласованиястатистическимиметодами путемопределениякоэффициентоввариации (
)и среднеквадратичногоотклонения(
),где
- число группоценок и соответствующееотсеиваниебольших отклонений);5) составлениесводной анкетысо значениямиданных всехэкспертов, посогласованнымненормированнымкоэффициентам;6) по заполненнойсводной анкетеопределяютсянормированныекоэффициентывесомости вследующейпоследовательности:6.1) определениесреднеарифметическогозначения групповыхненормированныхкоэффициентов
;6.2) определениесуммы всехсредних групповыхненормированныхкоэффициентовв каждой группе
;6.3) определениегрупповыхнормированныхкоэффициентов
,где
;
6.4) определениекоэффициентоввесомостипростых иэлементарныхсвойств в общейсистеме качеств,которые получаютсяперемножениемгрупповыхкоэффициентов,составляющихветвь деревапо горизонтали
,где
- число элементовпо горизонталив группе; 6.5) проверкаправильностирасчетов, согласнокоторой суммавсех коэффициентоввесомости вкаждом уровнедолжна бытьравна единице
.

3. Определениебазовых иэкстремальныхабсолютныхпоказателейсвойств сводитсяк нахождениюмаксимального(наилучшего– базового

)и минимального(наихудшего– экстремального
)значения оценочныхпоказателей.Значения текущихоценочныхпоказателей
должны лежатьв диапазоне
.

4. Оценкакачества ианализ результатовпроизводитсяна заключительномэтапе по следующейсхеме: 1) определяютсяотносительныезначения всехэлементарныхсвойств поформуле

;2) вычисляетсяинтегральнаяоценка (интегральноекачество), как
.Объект сравнения,у которогоинтегральныйпоказательбольше, считаетсялучшим. Авторработы [25] указывает,что по результатамрасчета можнополучить многоколичественнойинформации:во-первых, можноустановить,какая машиналучше и насколько;во-вторых, можноопределитьпоказатели, по которымодна машинапревосходитдругую; в-третьих,насколькокаждая машинауступает идеальнойпо техническомууровню машине,у которой общейпоказательоценки абсолютноидеален.

Какзамечает самавтор [25]: «…достоверностьрезультатоврасчетовквалиметрическимметодом зависитво многом откомпетентностилиц, решающихзадачу, насколькоглубоко и широкоони знаюттеоретическии практическипредмет, относящийсяк решаемойзадаче».


Методикавыбора ПЛК


Учитываяспецификуустройств,критерии оценкиможно разделитьна три группы,изображенныена деревехарактеристикПЛК (рис. 6.2):



Рис. 6.2. ДеревохарактеристикПЛК

  • техническиехарактеристики;

  • эксплуатационныехарактеристики;

  • потребительскиесвойства.

При этомкритериямивыбора считатьпотребительскиесвойства, т.е.соотношениепоказателейзатраты/производительность/надежность,а техническиеи эксплуатационныехарактеристикиограничениямидля процедурывыбора.

Кроме того,необходиморазделитьхарактеристикина прямые (длякоторых положительнымрезультатомявляется еёувеличение)и обратные (длякоторых положительнымрезультатомявляется еёуменьшение).

Так какхарактеристикимежду собойконфликтны,т.е. улучшениеодной характеристикипочти всегдаприводит кухудшениюдругой, необходимодля каждойхарактеристики

определитьвесовой коэффициент
,учитывающийстепень влиянияданной характеристикина полезностьустройства.

Терминологияи состав критериевоценки ПЛКприведены всоответствиис основнымиположениямиквалиметриии стандартамикачества (ГОСТ15467-79).

Выбор аппаратурыпроизводитсяв четыре этапа:

  • определениесоответствиятехническиххарактеристикпредъявленнымтребованиям;

  • определениесоответствияэксплуатационныххарактеристикпредъявленнымтребованиям;

  • оценкапотребительскихсвойств выбираемойаппаратуры;

  • ранжированиеизделий.

На первомэтапе каждаятехническаяхарактеристикаанализируемогоизделия сравниваетсяс предъявленнымик проектируемойсистеме требованиями,и если даннаяхарактеристикане удовлетворяетэтим требованиям,изделие снимаетсяс рассмотрения.

Такой жеанализ проводитсяна втором этапес эксплуатационнымихарактеристиками,и только еслитехническиеи эксплуатационныехарактеристикисоответствуютпоставленнойзадаче и предъявленнымтребованиям,проводитсяоценка потребительскихсвойств ПЛК.

Для этогоиспользуетсяаддитивныйметод оценки,когда суммарнаяоценка каждойгруппы свойств(затраты/производительность/надежность)вычисляетсяпо следующейформуле:


,

где

,
- нормированныепрямые и обратныехарактеристикивыбираемогоизделия (переходк относительнымхарактеристикам);

- весовые коэффициентыхарактеристик;

l,n-l количествопрямых и обратныххарактеристик.

Дляпрямой характеристики

- наилучшие,
- наихудшиезначения оценочныххарактеристик.Для обратныххарактеристикнаоборот. Значениятекущих оценочныххарактеристик
должны лежатьв диапазоне
.

Определениевесовых коэффициентовдля характеристикПЛК являетсяодной из самыхответственныхзадач, т.к. именноот их правильнойвеличины зависитдостоверностьрезультатованализа. Длянахожденияусредненнойоценки каждогокоэффициентаможет бытьрекомендованаследующаяметодика экспертныхоценок.

Составляетсясводная анкетаэксперты-коэффициенты(рис. 6.3), в которойпроставляютсяполученныеот каждогоэкспертаненормированныекоэффициентывесомости пошкале от 0 до10.



Рис.6.3. Сводная анкетаэксперты-коэффициенты


Определяютсясреднеарифметическиезначенияненормированныхкоэффициентовдля каждойгруппы характеристик:

,при

Определяютсязначениянормированныхвесовых коэффициентовпо группамхарактеристикхарактеристикПЛК:


Проверяемправильностьрасчетов, согласнокоторой суммавсех коэффициентоввесомости вгруппе должнабыть равнаединице

.

В результатеанализа потребительскихсвойств аппаратурысоставляетсятаблицаизделия-потребительскиесвойства, котораясодержит исходныеданные длявыбора ПЛК.

Ранжированиеизделий, т.е.расположениеих в порядкевозрастания(или убывания)соотношенияпоказателейзатраты/производительность/надежностьцелесообразнопроводить поформуле:


Приложение3


Отказоустойчивоеуправления(системы ПАЗ)– TRICON (TRICONEX)


Отказоустойчиваясистема управлениявыявляет икомпенсируетнеисправныеэлементы ипозволяетремонтироватьсистему вовремя выполнениязаданной задачибез прерыванияпроцесса.

Системыуправлениявысокой надежности,такие как TRICON,используютсяв технологическихпроцессах скритическимиусловиями,которые предъявляютжесткие требованияк безопасностии готовности.


TRICON - это современнаяотказоустойчиваясистема управления,основаннаяна архитектурес тройным модульнымрезервированием(TMR). TMR используеттри изолированныепараллельныесистемы управленияи диагностику,объединенныев единую систему.Система, использующаяпринцип мажоритарнойвыборки "два– из – трех",обеспечиваетвысокую надежность,безошибочностьи безостановочноефункционирование,и не имеет ниодного слабогозвена.

Сигналысенсоров вовходном модулеразделяютсяи направляютсяпо трем независимыми изолированнымканалам к одномуиз трех главныхпроцессоров.

Межпроцессорнаяшина TRIBUS выполняетмажоритарнуювыборку данныхи корректируетлюбые расхождениявходных сигналов.В результатеэтого гарантируется,что каждыйглавный процессориспользуетодни и те же

выбранныеданные длявыполненияприкладнойпрограммы.

Выходныепараметры затемнаправляютсяпо трем различнымканалам к выходныммодулям, гдевновь проводитсямажоритарнаявыборка дляобеспечениянадежности.Цифровая мажоритарнаявыборка выходногосигнала осуществляетсяс помощьюзапатентованнойсхемы учетвереннойвыборки, выборкааналоговогосигнала осуществляетсяс помощью аналоговоговыходногоселектора.Схема с обратнымисвязями обеспечиваетконечную оценкусостояниявыходногосигнала и диагностикускрытых ошибок.

Установкаи запуск системыTRICON облегчаетсятем, что тройнаясистема резервированияTMR с точки зренияпользователя,действует какодна системауправления.Пользовательустанавливаети подсоединяетдатчики иисполнительныемеханизмы кединой терминальнойточке цепи ипрограммируетTRICON с помощьюодной прикладнойпрограммы.

Диагностикакаждого независимогоканала, каждогомодульногокомпонентаи каждой функциональнойцепи позволяетобнаруживатьошибки

функционированияи сообщать оних. Все данныедиагностикихранятся вкачестве системныхпеременных,сообщениявыводятся насоответствующиесветодиодныеиндикаторы(LED) или на контактытревожнойсигнализации.Эта информацияможет бытьиспользованав прикладнойпрограмме дляизменениядействий поуправлениюпроцессом илипри техническомобслуживании.Все неисправныекомпонентымогут бытьзаменены воперативномрежиме безпрерыванияпроцесса! ЭтиособенностиTRICON обеспечиваютвысочайшуюнадежностьданной системы.

Основныеособенностисистемы TRICON:

отсутствиеслабых звеньевв системе;

  1. возможностьфункционированияс тремя, двумяили одним главнымипроцессорамиперед отключением;

  2. тройнаясистема резервирования;

  3. всеобъемлющаясистема диагностикимодулей;

  4. простойремонт модулейв процессеработы.

Системы TRICONприменяютсяв системахпротивоаварийнойзащиты (ESD) опасныхпроизводствна нефтехимическихи химическихзаводах; в системахпротивопожарнойбезопасностиплавучих платформ, котлов во многихобрабатывающихи перерабатывающихпроцессах; вуправлениигазовыми ипаровыми турбинами.

Высокийуровень безопасностиTRICON, обеспечиваемыйприменениемспециализированнойархитектурыи средств внутреннейдиагностики,соответствуеттретьему уровнюбезопасногодопуска SIL(Safety Integrity Level), определенномумеждународнымстандартомIEC 61508. Для уровняSIL3 стандарта IEC61508 определены:

  1. вероятностьвозникновенияошибки - от1.000 до 10.000 лет;

  2. готовность- 99.90 - 99.99%.

Также системаTRICON сертифицированаАссоциациейТехническогоНадзора (Германия)(TUV) для использованияв производствахтребующих“German Safety Requirement Class 5 and 6”.


Приложение4


Полеваяшина - Fieldbus


Современнаямикроэлектроникапредлагаетразработчикамтехническихинформационныхсистем возможностьдобиться высокиххарактеристикпри относительнонизкой цене,позволяетреализоватьфункции автоматикивне блокацентральногопроцессора,например, встанках, агрегатах,датчиках иисполнительныхмеханизмах[19].

Такое смещениефункциональностив сторонупериферийноготехнологическогооборудования(децентрализация)выявило потребностьв новых видахкоммуникаций.Прежде передачаи обработкасигналовосуществляласьза счет простоговключения вавтоматизируемыйпроцесс некотороговычислителя,однако сегодняинтеллектуальныекомпонентыавтоматизируемогопроцесса требуютспециальноразработанныхвидов связей,действующихв рамках ихсобственнойфункциональности.Появлениецифровогоинтерфейсасделало переходк локальнойсети почтинеминуемым.Этот вид сети,функционирующейна нижнем уровнесистемы автоматизациинепосредственнорядом с технологическимпроцессом,получил названиеfieldbus (полевая шина,или промышленнаясеть).

Кнаиболее известными применяемымв мире открытымпромышленнымсетям относятся:CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, FF, DeviceNET, SDS, ASI, HART инекоторыедругие. Каждаяиз перечисленныхсистем имеетсвои особенностии области применения.Большие усилиянаправленысегодня наразработкуаппаратно-программныхшлюзов (мостов)из одного протоколав другой. И этирешения составляютотдельныйсегмент продуктовв областиfieldbus-систем.



Аннотация


В данномдипломномпроекте в рамкахразработкисистемы автоматизированногоуправлениястадии стерилизациипроцесса биосинтезаэритромицинапроведенаработа в следующихнаправлениях:

Рассмотреназадача созданияавтоматизированнойсистемы управлениястадии стерилизациибиореакторапроцесса биосинтеза.

Подтвержденаактуальностьданной задачи,произведенвыбор методаавтоматизации,обоснован выборпрограммно-техническогокомплекса ипрограммногообеспечениядля ее решения.

Созданопрограммноеобеспечениедля автоматизированногорабочего местаоператора сиспользованиемLabVIEW 7 DSC.

Разработанапрограммнаяреализацияалгоритмическойсхемы переключенийв процессестерилизациибиореакторана базе программногопакета LabVIEW7 DSC.

Предложена модель системысбора, обработкии передачитехнологическойинформациина базе АРМоператора сиспользованиемпрограммнойреализацияалгоритмическойсхемы переключений,компьютерноймодели процессастерилизациии технологииOPC.

В рамках САУразработанапрограммауправленияизмерителемтемпературырегулирующим«Дана-Терм»ИТР 2529 c функциямиOPC серверав программнойсреде LabVIEW7 DSC.


ОГЛАВЛЕНИЕ


1.ВВЕДЕНИЕ3

2.КРАТКОЕ ОПИСАНИЕТЕХНОЛОГИИПРОИЗВОДСТВАЭРИТРОМИЦИНА4

3.ЦЕЛИ, ЗАДАЧИИ ИСХОДНЫЕДАННЫЕ ДЛЯСОЗДАНИЯ СИСТЕМЫАВТОМАТИЗИРОВАННОГОУПРАВЛЕНИЯСТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИБИОРЕАКТОРА7

4.СТРУКТУРА ИФУНКЦИОНИРОВАНИЕПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГОКОМПЛЕКСА(ПТК) РАЗРАБАТЫВАЕМОЙСАУ В СОСТАВЕАСУТП БИОСИНТЕЗАЭРИТРОМИЦИНА10

5.АНАЛИЗ ФЕРМЕНТЕРАВ КАЧЕСТВЕОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯСАУ СТАДИИСТЕРИЛИЗАЦИИБИОРЕАКТОРА13

6.ВЫБОР СРЕДСТВПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГОКОМПЛЕКСА15

7Программируемыйлогическийконтроллер(ПЛК) и сопутствующиетехнологииавтоматизации16

8Сетевой комплексконтроллеров18

9Выбор контроллерныхсредств (ПЛК)19

10Выбор средствпрограммированияконтроллеров.28

11Выбор программногообеспеченияверхнего уровня.SCADA системы31

12.РАЗРАБОТКАСИСТЕМЫАВТОМАТИЗИРОВАННОГОУПРАВЛЕНИЯСТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИБИОРЕАКТОРА36

13Автоматизированноерабочего местооператора.Интерфейсоператора36

14Компьютернаямодель стадиистерилизациибиореактора53

15Реализацияпрограммно-логическогоуправлениястадией стерилизациибиореактора.56

16.РАЗРАБОТКАПРОГРАММЫУПРАВЛЕНИЯИЗМЕРИТЕЛЕМТЕМПЕРАТУРЫРЕГУЛИРУЮЩИМ«ДАНА-ТЕРМ»ИТР 2529 В ПРОГРАММНОЙСРЕДЕ LABVIEW DSC. РЕАЛИЗАЦИЯФУНКЦИЙ OPC СЕРВЕРА59

17Описание программыуправленияизмерителемтемпературырегулирующим«Дана-Терм»ИТР 252959

18Работа с программойуправления(2529.exe)61

19Файл конфигурации69

20Работа с программойпросмотра“log” файловрегуляторатемпературы«Дана-Терм»ИТР 2529 (Log_view.exe)70

21Внедрениепрограммыуправления измерителемтемпературырегулирующим«Дана-Терм»ИТР 2529.71

22.БЕЗОПАСНОСТЬПРОИЗВОДСТВА74

23.СПЕЦИФИКАЦИЯКИПиА80

24.ПОДСЧЕТ СУММАРНОЙСТОИМОСТИОБОРУДОВАНИЯИ ПРОГРАММНОГООБЕСПЕЧЕНИЯДЛЯ СОЗДАНИЯСАУ ПРОЦЕССАСТЕРИЛИЗАЦИИБИОРЕКТОРА.84

25.ЗАКЛЮЧЕНИЕ85

26.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ86

27.ПРИЛОЖЕНИЯ90


1.ВВЕДЕНИЕ


Процессыбиосинтеза(ферментации)занимают важноеместо в медицинской,пищевой, микробиологическойи других отрасляхпромышленности.

Несмотряна их большоеразнообразие,процессампериодическойферментациипринадлежитведущая ролькак наиболееизученным игибким с точкизрения полученияпромежуточныхи конечныхпродуктовтребуемогокачества.Значи­тельныекапитальныеи эксплуатационныевложения, которымихарактеризуютсясистемы ферментации,связанны сиспользованиемдорогостоящегооборудованияи значительнымиэнергетическимизатра­тами. Основноеоборудование:биореакторы(ферментеры),емкостныеаппараты,трубопроводы,запорно-регулирующаяарматура, –необходимоизготавливатьиз высококачественнойнержавеющейстали. Непрерывноеобеспечениекультуры вферментерестерильнымвоздухом, поддержаниестабильноготепловогорежима, большойрасход параво время стерилизациии т.д. требуютобеспечениявысокой степенинадежностиоборудования,узлов и механизмов,систем управленияточности ихтехнологическогопроектирования.

К настоящемувремени выполненобольшое количестворабот, посвящённыхмоделированиюпроцессовферментациии их оптимизации.В тоже времясущественнуючасть времениферментерработает внестационарномрежиме, которыйне являетсяоптимальным(различныестадии подготовки,начала и завершения процессаферментации).Одной из важнейшихопераций стадииподготовкиявляется стерилизацияоборудованияи компонентовпроцесса, необходимаядля обеспечениястерильныхусловий проведенияпроцесса ферментации.

К сожалению,в АСУ ТП, какправило, отсутствуютфункции управленияподготовительнымистадиями процессаферментации,в том числестадией стерилизации,того же уровняавтоматизации,что и для стационарныхре­жимов. Междутем проведениесверхнормативныхстадий стерилизации(после остановокпроизводствапо аварийным,организационнымили конъюнк­турнымпричинам ит.п.) связаносо значительнымизатратами, апроизводственныепо­тери ценногосырья и энергоресурсовот них могутбыть велики.Для крупнотоннажныхпроизводствэта обязательнаяподготовительнаяоперация оказываетзаметное влияниена многие стороныфункционированиясистемы ферментации.

Низкий уровеньавтоматизациии неэффективнаяработа автомати­кив период проведенияподготовительныхопераций ведутк неоправданномуизносу технологическогооборудованияи нерациональномурасходованиювсех видовпроизводственныхресурсов. Оказываютнегативноепсихофизиологическоевоздей­ствиена обслуживающийперсонал ввидутого, что основнаянагрузка попринятию решенийо переключенияхрегулирующихорганов, исполнительныхмеханизмов,контроля засредствами КИПиА падаетна операторов,существеннопревышая обычныйуровень, чтоможет привестик ошибкам операторов,привести кпотери стерильностии выводу оборудованияиз строя. Вместес тем стадиястерилизацииимеет весьмасущественныйрезерв дляповышенияэффективностиферментацииза счет оптимизацииуправленияэтой стадией.Возникаетзадача оптимизациирежимов проведениястерилизациипо следующимкритериям:

  • минимизациявремени проведениястадии;

  • уменьшениеизноса технологическогооборудованияи снижениепотерь прибыли,связанных снеоптимальностьюработы системыферментацииво время стерилизациии при сменетехнологическогорежима;

  • повышениекачества (вданном случаекачествастерилизации).

Отметим, чтооптимальноеуправлениестерилизациейи подготовительнымистадиями вообщетребует минимальныхкапиталовложенийв материальноеобеспечение,т.к. реализуетсяс использованиемсуществующейсистемы управления.


2.КРАТКОЕ ОПИСАНИЕТЕХНОЛОГИИПРОИЗВОДСТВАЭРИТРОМИЦИНА


Эритромицинпринадлежитк группе антибиотикови являетсяорганическимоснованием,продуцируемымкультуройSaccharopolyspora erythraea или другимиродственнымимикроорганизмамии представляетсобой кристаллическийпорошок белогоцвета без запаха,с горьким вкусоми высокойгигроскопичностью[2, 3]. Химическаяформула эритромицина C37H67NO13.

Эритромицинявляется антибиотикомширокого спектрадействия. Хорошиепоказанияполучаютсяпри воздействииэритромицинана крупныевирусы и микробактерии.Пневмококки,стрептококкии некоторыештаммы энтерококковчувствительнык эритромицинув концентрацияхдо 1 мкг/мл. Наибольшийпрактическийинтерес представляетдействие эритромицинав отношенииклиническихштаммов золотистогостафилококка,устойчивыхк пенициллину,тетрациклину,стрептомицинуи другим антибиотикам.

Биологическийсинтез эритромицинаосуществляетсяс использованиемштамма культурыSaccharopolyspora erythraea, в процессеферментациив специальныхаппаратах –биореакторах(ферментерах).

Антибиотик,представляющийсобой сложноеорганическоесоединение,отличаетсявысокой чувствительностьюк внешнимвоздействиям,неустойчивостьюв растворах.Существенноеповышениетемператур,длительноепребываниеантибиотикав щелочной иликислой среде,контакт с окислителеми т.д. приводятк химическимизменениям,превращающимантибиотикв биологическинеактивноевещество.

Для производстваантибиотикаиспользуетсяаппараты итрубопроводы,изготовленныеиз коррозионно-устойчивых,не загрязняющихпродукт материалов(как правило,это высоколегированныенержавеющаясталь).

Процессбиосинтезаантибиотиковсостоит изследующихстадий:

  1. подготовкаоборудования(стерилизация)и питательнойсреды для процессабиосинтеза;

  2. подготовкапосевногоматериала;

  3. загрузкапитательнойсреды в ферментер;

  4. совместнаястерилизацияпитательнойсреды и оборудования;

  5. загрузкапосевногоматериала;

  6. процессферментацииантибиотика;

  7. выгрузкаи очистка продукта;

  8. складированиепродукта.

Важной особенностьюпроизводстваантибиотиков,на всех технологическихстадиях, являютсявесьма высокиесанитарныетребования.Соблюдениевысокой степеничистоты помещенийи оборудования,систематическаяпромывка идезинфекцияпредставляютсобой необходимуюпредпосылкуполученияпродукта высокогокачества.

Ферментацияэритромицина,осуществляемаяпри интенсивнойаэрации иперемешиваниисреды, проводитсяв специальномаппарате -ферментере,представляющимсобой закрытыйцилиндрическийсосуд со сферическимднищем и крышкой,снабженныймешалкой, барботеромдля подачивоздуха, отбойниками,рубашкой илизмеевикамидля нагреваи охлаждениясреды, а такжезапорной арматуройи контрольно-измерительнымиприборами.Ферментердолжен бытьпрочен, корозионностоек,герметичен,надежен вэксплуатации.

Функциональнаясхема автоматизациистадии стерилизациибиореакторапредставленав приложении1.

Аппарат Ф1(ферментер)снабжен рубашкой(потреблениепара, хладагента),барботером(потреблениевоздуха), мешалкой(потреблениеэлектроэнергии)и комплектомконтрольно-измерительногооборудования.

В функциональнуюсхему процессаферментацииэритромицинавходят:

  1. емкостьстерильныхподпиток Е1;

  2. сборникстерильногопеногасителяЕ2;

  3. сборниккислоты Е3;

  4. сборникщелочи Е4;

  5. воздушныйфильтр ФВ;

  6. теплообменникТ1;

  7. насосыперистальтическиеНП1-4;

  8. трубопроводы;

  9. запорно-регулирующаяарматура

Перед ведениемпроцесса биосинтезаэритромицинааппарат Ф1подвергаетсятщательномуосмотру ипроизводитсясерия проверок,определяющихстепень егоработоспособности.Перед каждойзагрузкойпитательнойсреды аппаратпромываетсягорячей водой,проверяетсяработа мешалкии барботера,а также исправностьконтрольно-измерительногооборудования.Затем осуществляетсяпроверкагерметичностиаппарата иприлегающихк нему коммуникацийдавлениемсжатого воздуха.При соблюдениитребованийк герметичностиаппарата иприлегающимкоммуникациямначинаетсястерилизацияпустого аппарата.

Ферментернагреваетсядо 900C острымпаром, подаваемымпо трубопроводамчерез термозатворы,глухие штуцераи барботер. Вовремя нагреваферментерадо 900С один разв 3 недели стерилизуютвоздушныйфильтр. Фильтрпрогреваетсяострым паромдо 1300С и выдерживается30 мин при этойтемпературе.

По окончаниинагревания(что определяетсядостижениемтемпературыконденсата900С на выходеиз ферментера)прекращаетсяподача острогопара в аппаратчерез термозатворыи глухие штуцера.Далее начинаетсязагрузка питательнойсреды из емкостиподпиток припомощи насоса.При этом продолжаетсяподача парачерез барботерс небольшимрасходом, дляпредотвращениязабиванияотверстийбарботерачастичкамипитательныхвеществ. Длядоведения донеобходимогообъема питательнойсреды в ферментерзаливаетсяпитьевая вода.По окончаниизагрузки питательнойсреды и вспомогательныхопераций питательнуюсреду в ферментеренагреваетсядо температурыстерилизации1210С следующимобразом:

  1. подаетсяострый парчерез термозатворы,глухие штуцераи барботер (свысоким расходомпара черезбарботер);

  2. подаетсяпар в рубашкуаппарата.

Механическоеуплотнениеферментерастерилизуетсяодновременнос питательнойсредой.

По достижениив ферментеретемпературы1210С останавливаетсяподача острогопара черезтермозатворына трубопроводахи глухие штуцера.Острый парпродолжаетподаватьсячерез барботерс низким расходом.

Затем ферментервыдерживаетсяв течение 30 минпри t=1210C,P=0,2 МПа.

Температурустерилизацииподдерживаетсяконтролируемымрасходом парачерез рубашкуферментера.

По окончанииинтервалавыдерживанияостанавливаетсяподача парав рубашку иподача острогопара черезбарботер. Начинаетсяподача охлаждающейводы черезрубашку ферментерадля снижениятемпературыв ферментерес 1210С до 280С,совместно сэтим для компенсациидавления черезбарботер подаетсястерильныйсжатый воздух.

После охлажденияферментерапроизводитсяввод посевнойкультуры череззасевной лючок.

После засевапосевной культурыв аппаратеустанавливаютоптимальныедля ферментациипараметры. Входе процессаосуществляетсянепрерывнаяподача стерильноговоздуха черезвоздушныйфильтр ФВ, pHстатированиеподачей растворовкислоты иземкости Е3 илищелочи из Е4,уровень пенырегулируетсяподачей пеногасителяиз Е1, при необходимостипроизводятся

подпиткииз емкости E1,температурукультивирования поддерживаютподачей в


рубашкуохлаждающей воды, давлениявнутри ферментераподдерживаетсяза счет регулированиярасхода отходящихгазов [3, 4].

Продолжительностьбиосинтезаэритромицинапри посеве изколбы составляет~240 ч. По истечениюэтого срокаготовая культуральнаяжидкость выгружаетсяи передаётсяна фильтрацию.


3.ЦЕЛИ, ЗАДАЧИИ ИСХОДНЫЕДАННЫЕ ДЛЯСОЗДАНИЯ СИСТЕМЫАВТОМАТИЗИРОВАННОГОУПРАВЛЕНИЯСТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИБИОРЕАКТОРА


Ознакомлениес существующейсистемой управлениябиосинтезаантибиотиков


Долгое времяавтоматизацияпроцесса биосинтезаопределяласьналичием системыавтоматизированногоуправления основной стадииэтого производства- ферментацииантибиотика.Причем уровеньавтоматизациипозволял вестинепрерывныйконтроль параметровпроцесса (измерение,сигнализация)и осуществлятьавтоматическоерегулированиепараметровпроцесса, ноне обеспечивалавтоматическуюсмену отдельныхстадий производства(переключениеопераций). Проведениевспомогательныхопераций ипереключениемежду нимиосуществлялосьвручнуюоператорами-технологами,так как считалось,что эти операцииавтоматизироватьнецелесообразно.

Сразвитиемвычислительнойтехники и повышениемнадежностисредств автоматизациистало возможными экономическивыгоднымавтоматизироватьразличныевспомогательныеоперации.

    Данная работапосвященасозданию системыавтоматизированногоуправлениястадии стерилизациибиореактора.


Целии задачи, решаемыепри созданиисистемы автоматизированногоуправлениястадией стерилизациибиореактора


    В соответствиис заданием надипломноепроектированиенеобходиморазработатьсистемуавтоматизированногоуправления(САУ) стадиистерилизациикак составляющуюАСУТП биосинтезаэритромицина.

    РазработкаСАУ стадиистерилизациивключает следующиеэтапа разработки:

  1. определениеисходных данных;

  2. проектированиеСАУ;

  3. реализацияСАУ;

  4. апробированиеСАУ

  5. сдача вэксплуатацию;

    Основнымнаправлениемявляется

    В даннойдипломнойработе планируетсяосуществитьпроектированиеи реализациюотдельныхэлементов САУ.При этом необходиморешить следующиезадачи:

  1. Выборпрограммно-техническогокомплекса дляреализациисистемыавтоматизированногоуправлениястадией стерилизациибиореактора,включающийследующиеразделы:

    • Определениеструктурыпрограммно-техническогокомплекса(ПТК) САУ;

    • Выбор аппаратныхи программныхкомпонентовПТК;

  2. Разработкаэлементовсистемыавтоматизированногоуправления:

    • Написаниепрограммногообеспечения для элементовПТК;

    • Сборка узловСАУ, моделированиепроцесса, написаниеалгоритмов;

    • Проверкафункционированияразработанныхэлементов ПТКи САУ с использованиеммоделей (процесса,алгоритмовуправления);

    • ПроверкафункционированияСАУ;


Системауправления(здесь и далеетермин «системауправления»относится ксистеме, состоящейиз САУ стадиистерилизации,если нет другогоуказания) наэтапе созданиясистемы автоматизированногоуправлениястадией стерилизациидолжна охватыватьследующиеосновныетехнологическиеагрегаты:

  1. ферментерФ1;

  2. фильтр воздушный;

  3. трубопроводы;

  4. запорно-регулирующаяарматура.

Системауправлениядолжна бытьспроектированатаким образом,чтобы в дальнейшеминтеграцияс другими(автоматизированнымии неавтоматизированными)стадиями процессабиосинтеза,а также включениев систему управлениятехнологических аппаратов, неавтоматизируемыхна этом этапе,не представлялотрудностей.

Системауправленияпредназначенадля реализацииследующих группфункций:

  1. оперативныйконтроль иавтоматическоеуправлениеустановкойс экранов рабочихстанций и операторскихпанелей, с помощьюреализованныхв цветном исполнениифрагментовмнемосхемтехнологическогопроцесса, панелейконтроля ирегулирования;

  2. предупредительнаяи аварийнаясигнализацияпри выходетехнологическихпараметровза нижние иверхние пределыустановленныхтехнологическихи аварийныхграниц;

  3. представлениеинформацииоператорам-технологамв виде мнемосхем,панелей контроляи регулирования,графиков, протоколовсобытий, таблиц,текстовыхсообщений,представлениеуказаннойинформациидолжно осуществлятьсяна цветныхэкранах монитороврабочих станций;

  4. автоматическое протоколированиепо мере возникновениясобытий следующихклассов:

    • сообщенийо нарушенияхи отклоненияхв ходе технологического процесса;

    • сообщенийо возникновениидвоичных событий(вкл/выкл электрооборудования,закрытие / открытиеклапанов);

    • сообщенийо действияхоператора-технолога;

    • системныхсообщений;

  5. формированиеи автоматическоепротоколированиеусредненныхзначенийтехнологическихпараметровза смену/сутки;

  6. формированиеи автоматическоепротоколированиерасходов сырья,расчет конечнойвыработки исравнение среальной выработкой;

  7. формированиеи автоматическое протоколированиеусредненныхзначенийматериальныхпотоков поустановке вцелом, за сутки,смену;

  8. формированиеи печать протоколаразвитияпредаварийнойситуации:

    • формированиеи печать протоколаобнаруженияпервопричинысрабатыванияаварийнойпрограммы;

    • формированиепротоколавозникновениянеисправностейоборудованияи приборовКИП и А;

  9. архивированиеоперативнойи отчетнойинформациив течение заданноговремени и еепоследующаяпечать дляанализа технологическимперсоналом.


Основнымицелями созданиясистемы управленияявляются:

  1. снижениематериальныхи энергетическихзатрат за счетповышенияоперативностии точностиуправления;

  2. повышениенадежностифункционированиятехнологическогопроцесса иоборудованияза счет внедрениясистемы автоматизации;

  3. минимизацияматериальныхзатрат при обеспечениизаданнойпроизводительностиустановки.

Указанныецели созданияСАУ могут бытьскорректированыи расширеныпо мере освоенияданной системыуправленияи при изменениистратегииуправлениятехнологическимобъектом [5, 6, 7].


Исходныеданные дляпроектированиясистемы автоматизированногоуправлениястадии стерилизациибиореактора


Исходнымиданными дляпроектированиясистемы автоматизированногоуправленияявляется количество технологическихпараметров(каналов), которыенеобходимоконтролировать(входные каналыСАУ) или с помощьюкоторых необходимоосуществлятьрегулирование(выходные каналыСАУ):

  1. непрерывныхвходных каналов: 16;

  2. непрерывныхвыходных каналов: 8;

  3. дискретныхвходных каналов:32;

  4. дискретныхвыходных каналов:32;


Кромеэтого припроектированиинеобходимоучитыватьследующиефакторы:

  1. создаваемаясистемаавтоматизированногоуправлениябудет работатьсовместно сСАУ ферментации;

  2. использованиедатчиков иисполнительныхмеханизмовот САУ ферментации;

  3. автоматизацииподлежитпериодическийпроцесс, проводящийсяодин раз в 240часов;

  4. существенныеэкономическиепотери, связанныес нарушениемрегламентапроцесса;

  5. наличиене взрыво/пожароопасногопроизводства;

  6. размещениеобъекта управленияна небольшойтерритории;

  7. возможностьнаращиванияпроизводстваза счет добавленияновых биореакторов.


4.СТРУКТУРА ИФУНКЦИОНИРОВАНИЕПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГОКОМПЛЕКСА (ПТК)РАЗРАБАТЫВАЕМОЙСАУ В СОСТАВЕАСУТП БИОСИНТЕЗАЭРИТРОМИЦИНА


В настоящеевремя автоматизациябольшого количествапроизводственныхпроцессоввыполняетсяс использованиемсовременныхинформационныхтехнологий.Различныевычислительныесредства, программныетехнологиии протоколывзаимодействияприменяются для управлениятехнологическимипроцессамина нижних уровняхавтоматизации– интеллектуальныедатчики, объединенныев промышленныеинформационныесети, программируемыелогическиеконтроллеры(ПЛК) на баземикропроцессорныхкомпонентов.На верхнихуровнях –вычислительныесети масштабовпредприятия,автоматизированныерабочие местаоператоров,системы хранениятехнологическойинформации(базы данных)и другиепрограммно-техническиесредства.Совокупностьпрограммно-вычислительныхсредств автоматизациитехнологическогопроизводстваи их инфраструктураобразуетпрограммно-техническийкомплекс (ПТК)технологическогопроцесса. Навход ПТК отдатчиков поступаютсигналы, несущиеинформациюо технологическихпараметрах процесса. Комплексреализуетзаданные функцииконтроля, учета,регулирования,последовательногологическогоуправленияи выдает результатына экран дисплеярабочей станцииоператора иуправляющиевоздействияна исполнительныемеханизмыобъекта автоматизации.

Как былоотмечено выше,САУ стадиистерилизациидолжна входитьв состав АСУТПбиосинтезаэритромицина.Это необходимоучитывать припроектированииданной САУ.Целесообразноопределитьструктуру ифункционирование программно-техническогокомплекса такимобразом, чтобыимелась возможностьмасштабированияи простой интеграцииэтой системыв АСУТП биосинтезаэритромицина.

ПроектируемаяСАУ по своейструктуредолжна представлятьцентрализованнуюавтоматизированнуюсистему управления.Прежде всего,это обусловлено сосредоточениемвсех элементовобъекта управленияна небольшомпространстве.

Кроме того,предлагаемаяструктурасистемы автоматизированногоуправлениястадией стерилизации,позволит снизитьзатраты наоборудованиеПТК, а такжетрудоемкостьи время созданиясистемы управленияи проведенияпуско-наладочныхработ [10].

Структурапрограммно-техническогокомплексацентрализованнойсистемы управленияпроизводством являетсяиерархической,в ее составедолжны бытьпредусмотреныследующиекомпоненты:

  1. средстваавтоматическогосбора информацииот датчиковтехнологическихпараметров;

  2. вычислительныесредства снеобходимымсоставомпериферийныхустройств;

  3. средстваобработкиинформациии передачи еев сеть;

  4. средстваконтроля иотображениятехнологическойинформации;

  5. средствапостроенияавтоматизированныхрабочих местоперативноготехнологическогоперсонала.

ПТК должениметь возможностьрасширенияфункционально-алгоритмическогои техническогообеспеченияза счет добавленияновых техническихсредств ипрограммногообеспеченияпри развитииАСУТП, увеличенииколичествасигналов ввода/вывод.

Программно-техническийкомплекс долженвключать аппаратныеи программныесредства дляобеспечениядиагностикивсех компонентов,входящих вструктурукомплекса.

С целью обеспеченияпостоянногоэлектропитанияпрограммно-техническогокомплекса САУнеобходимо:

  1. реализоватьсоответствующуюсистему бесперебойногоэлектропитаниятребуемоймощности;

  2. времяработы этойсистемы приисчезновениипитания впроизводственнойсети должносоставлятьне менее 40 минути обеспечиватьбезаварийныйостанов установки(процесс, оборудование).

Функционированиепрограммно-техническогокомплекса САУдолжно бытькруглосуточным,с остановкойна профилактикув период капитальногоремонта технологическогокомплексапроизводстваэритромицина.

Для защитыинформацииот потерь присбоях программныхи/или техническихсредств САУдолжно бытьобеспеченоархивированиеинформации.Продолжительностьхранения архивадолжна бытьне менее 30 суток.

Применяясовременныепринципы построениясистем автоматизированногоуправления,можно определитьследующуюструктуру АСУстадией стерилизации:

  1. диспетчерскийуровень;

  2. сетевойинтерфейсныйуровень;

  3. уровеньконтроллерови модулейввода-вывода;

  4. уровеньдатчиков иисполнительныхмеханизмов.


Основныефункции диспетчерскогоуровня – сбори обработкаданных и отображение технологическогопроцесса. Средствадиспетчерскогоуровня позволяютпроизводственномуперсоналуудаленноконтролироватьтечение технологическогопроцесса,предоставляютдоступ к историческойи актуальнойтехнологическойинформациив удобной длявосприятияформе в видемнемосхем,диаграмм, тревог,историческихданные. На этомуровне необходимообеспечиватькорректность,доступность,простоту пониманияотображаемойи записываемойтехнологическойинформации.Диспетчерскийуровень представленавтоматизированнымирабочими местами(АРМ) операторов,технологов,инженеров –компьютерами,получающимиинформациюс нижних уровней,на которыхфункционируютсистемы сбораданных и управления(SCADA), ведутсяархивы базданных (БД)технологическихпараметров.

Сетевойуровень являетсяпрослойкоймежду вычислительнымисредствамиверхнего инижних уровней,отвечает завзаимодействиеАРМ, систем БД, промышленныхконтроллерови устройствсопряженияс объектом(УСО).

Вычислительныесредства черезблоки согласованияобъединеныв общую сетьс использованиеминтерфейсов(RS-485, Ethernet).Блок согласованияподключаетсяк последовательномупорту компьютера(или в виде платырасширениявставляетсяв разъем непосредственнов компьютере)и выполняетфункции преобразователяинтерфейсовRS-485 в RS-232и наоборот. ПоинтерфейсуRS-485 происходитопрос входныхпараметровпромышленныхконтроллеров,подключенныхк сети длядиспетчеризациии управления.Функции этогоуровня – передачаинформациимежду вычислительнымисредствамиавтоматизации.На этом уровнеобеспечиваетсядетерминированность(гарантированностьпередачи данныхза заданноевремя), минимальноевремя доставки,корректностьпередаваемойинформации.Этот уровеньпредставленсетевымиустройствами:повторителями,коммутаторами,маршрутизаторами,шлюзами, а такжекабельнойинфраструктуройсети.

Уровеньконтроллерови модулейввода-выводарешает классическиезадачи управлениятехнологическимипроцессами.Наличие этогоуровня в отличиеот диспетчерскогоявляетсяобязательным,так как основныефункции управленияв АСУ реализуютсяименно на этомуровне. Функции– сбор и обработкапервичнойтехнологическойинформации,управлениетехнологическимпроцессом. Наэтом уровнеобеспечиваетсябыстрота икорректностьпервичнойобработкитехнологическойинформации,гарантированноевыполнениеалгоритмовуправления,надежностьработы средствавтоматизации,возможностьгорячей заменывышедших изстроя элементовбез потериуправленияв целом. Центральнымэлементом наэтом уровнеявляетсявычислительныйблок – программируемыйлогическийконтроллер(ПЛК). В соответствиис заложеннойв него программой через встроенныеили подключаемыемодули ввода-выводаосуществляетсясбор и обработкапервичнойинформациис самого нижнегоуровня – отдатчиковтехнологическихпараметров(термопар,уровнемерови т.п.), а такжеуправленияисполнительнымимеханизмами(клапанами,двигателямимешалок и т.п.).

Уровеньдатчиков иисполнительныхмеханизмов,как следуетиз названия,включает датчики(термометрысопротивления,манометры,pH-метры,емкостныеуровнемерыи др.) и исполнительныемеханизмы (ИМ)с дистанционнымуправлением(приводы насосов,отсечные ирегулирующиеклапаны и др.),необходимыедля полученияинформациио ходе управлениятехнологическимпроцессом.Требования,предъявляемыек этому уровню,– надежностьв эксплуатации,точность измеренийи управления.Рекомендуетсяиспользоватьдатчики и ИМс унифицированными аналоговымии дискретнымисигналами(токовый сигнал4-20 мА, по напряжению3.5V ~ 30 V), дляупрощенияподключенияк модулямввода-выводаконтроллерови УСО.

Упрощеннаяструктурнаясхема системыпредставленана рис. 4.1. Развернутаяструктурнаясхема САУ данав приложении2.











Рис.4.1. Упрощеннаяструктурнаясхема САУ


5.АНАЛИЗ ФЕРМЕНТЕРАВ КАЧЕСТВЕОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯСАУ СТАДИИСТЕРИЛИЗАЦИИБИОРЕАКТОРА


Выше былоопределеноположениеферментера на схеме автоматизациистадии стерилизации,теперь рассмотрим ферментер вкачестве объектаавтоматическогоуправления.Для этого сначалаопределим, чтопредставляетсобой стадиястерилизациис позицииавтоматизациитехнологическихпроизводств.

На стадиистерилизацииосновной функциейуправле­нияявляется обеспечениезаданнойпоследовательностивыпол­ненияопераций, т. е.функцияпрограммно-логическогоуправле­ния.Она реализуетсяпереключениемв определеннойпоследовательностизапорно-регулирующейарматуры,установленнойна трубопро­водахтехнологическойобвязки биореакторапо достижениитехнологическимипараметрами(ТП) условийпереключенияили по завершениивременныхинтерваловподдержанияТП. Таким образом,АСУ стадиейстерилизациифункционируетпо разработаннойс учетом технологиипроизводствациклограммепереключенияуправляющихэлементов(клапанов, насосови др.)

За цикл работыбиореакторанеобходимопереключитьдесятки единицзапорной арматуры,причем в случаеошибочногоизмененияпорядка переключениянарушаетсястерильность,что ведет кснижению выходацелевого продукта.При управлениивруч­ную ошибкив порядкепереключения— одна из причинпотерь продукта.Кроме того,переключениевентилей вручнуюсвязано с большимизатратами трудаи времени, т.е. с увеличениемдлительностивспомогательныхопераций иснижениемпроизво­дительностиреактора. Поэтомуавтоматизацияпрограммно-ло­гическогоуправления— важный резервповышенияэффектив­ностипроизводстваэритромицина.

Информацияо состояниитехнологическихпараметровпроцесса снимаетсяс датчиков,расположенныхвнутри ферментераи входящих всостав запорно-регулирующейарматуры.

Теперь выделимиз всех технологическихпараметров,учитываемыхпри биосинтезеантибиотика,только те, которыеимеют значениедля стадиистерилизации.

Промышленныйферментер Ф1представляетсобой аппаратпериодическогодействия. Времяодного циклаферментации240 часов.

Вследствиебольшой тепловойемкости этотобъект обладаетзначительнойинерци­онностьюи чистым запаздыванием.

Основнымитехнологическимипараметрамипроцесса биосинтезаявляются:

  1. температурыпри проведениивспомогательныхопераций(стерилизацияи др.) и во времяферментации;

  2. давленияво время стерилизациии во времяферментации;уровни пеныи жидкостейв ферментере;

  3. pHуровень ферментационной среды;

  4. содержаниеразличныхвеществ в отходящихгазах;

  5. расходыстерильноговоздуха, пара,щелочи, кислоты,пеногасителя,подпитки, холоднойводы.

Из них технологическиепараметры,имеющие значениедля стадиистерилизации:

  1. температураэлементовобвязки в ферментереи на выходе изфермента;

  2. давлениевнутри ферментера;

Всоответствиис протекающимив ферментеретеплообменнымипроцессамимежду технологическимипараметрамисуществуетследующаясвязь:

  1. нагревострым паромведет к повышениютемпературына соответствующихэлементахобвязки навыходе изферментера;

  2. охлаждениеферментерахолодной водойведет к снижениютемпературыи давлениявнутри аппарата(охлаждениеимеет местопо завершениистадии стерилизации,для сохраненияпри этом стерильныхусловий требуетсягерметичностьаппарата)


Исходя изэтого, можноопределитьвходные параметры,имеющие значениедля процессастерилизации:

  1. расходвоздуха FВ;

  2. расходпара FП;

  3. температурапара ТП;

  4. температураохлаждающейводы Тохл;

  5. расходохлаждающейводы GОВ.


выходныепараметры:

  1. температурасреды в ферментереТФ;

  2. температураэлементовтрубопроводнойобвязки (штуцер)на выходе изферментераТШ;

  3. давлениевнутри ферментераP.



    ТФ


    ТШ


    Р



ТП

Тохл

FВ

GОВ

FП


Объект

управления









Рис 5.1. Ферментеркак объектавтоматизированногоуправления


6.ВЫБОР СРЕДСТВПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГОКОМПЛЕКСА


Ранее былираскрыты назначение,цели, и критериисоздания АСУстадией стерилизации(в составе АСУТПбиосинтезаэритромицина),определенаструктура ифункционированиеПТК этой АСУ,затем проведенанализ ферментераи стадии стерилизациис позицииавтоматизациитехнологическихпроизводств.Следующим шагомна пути созданияавтоматизированнойсистемы управленияявляется выборсредствпрограммно-техническогокомплекса,охватывающийдиспетчерскийуровень, сетевойуровень и уровеньконтроллерови модулейввода-выводаструктурнойсхемы АСУ.

Как уже былоотмечено, привыборе средствПТК необходимостремитьсяк снижениюстоимостисистемы, наладкии эксплуатации,повышениюнадежности,производительности,простотеэксплуатации,совместимости и другим важнымхарактеристикам системы.

Техническиесредстваавтоматизации(ТСА) выбираютсятаким образом,что в рамкахАСУ необходимособлюдатьтакие принципыГосударственнойсистемы приборов(ГСП), как:

  1. агрегатирование;

  2. унификациясигналов,интерфейсов,несущих конструкций,элементнойбазы, модулейи блоков;

  3. минимизацияноменклатуры;

  4. реализацияэстетическихи эргономическихтребованийс точки зрениярациональности.

При выборепрограммнотехническихсредств автоматизациинеобходимоучитыватьособенностипоставленнойзадачи, требованияпредъявляемыехарактеромтехнологическогопроцесса кнадежности,живучести,быстродействию,другим техническими эксплуатационнымхарактеристикамсистемы, а такжепотребительскиесвойства системы.

Набор выполняемыхфункций исоответствующийобъем получаемойи обрабатываемойинформацииоб объектесоответствуетвозможностямПТК, построенногона базе локальногопрограммируемогологическогоконтроллера (ПЛК) или сетевогокомплексаконтроллеров(сеть ПЛК).


7Программируемыйлогическийконтроллер(ПЛК) и сопутствующиетехнологииавтоматизации


Из всех используемыхв настоящеевремя классовлокальныхконтроллеровнас интересуетPLC, выполненныев виде автономных модулей, реализующихфункции контроляи управленияизолированнымитехнологическимиузлами, как,например, районныекотельные,электрическиеподстанции,резервуарныепарки. Автономныеконтроллерыпомещаютсяв защитныекорпуса, рассчитанныена разные условияокружающейсреды [17, 18]. Почтивсегда этиконтроллерыимеют портыдля соединенияв режиме "точка-точка"с другой аппаратуройи интерфейсы,связывающиеотдельныеустройствачерез сеть сдругими средствамиавтоматизации.В контроллервстраиваетсяили подключаетсяк нему специальнаяпанель интерфейсас оператором,состоящая изалфавитно-цифровогодисплея и наборафункциональныхклавиш.

В этом классеследует выделитьспециальныйтип локальныхконтроллеров,предназначенныхдля системпротивоаварийнойзащиты. (ПАЗ).

Устройстваотличаютсяособенно высокойнадежностью(IEC 61511) и быстродействием.В них предусматриваютсяразличныеварианты полнойтекущей диагностикинеисправностейс глубиной доотдельнойплаты; защитныекоды, предохраняющиеинформациюот искаженийво время передачии хранения;резервирование,как отдельныхкомпонентов,так и всегоустройствав целом. В частности,к наиболеераспространеннымспособамрезервированияконтроллеровэтого типаотносятся:

  1. горячийрезерв отдельныхкомпонентови/или контроллерав целом (прине прохождениитеста в рабочемконтроллереуправлениепереходит ковторому контроллеру);

  2. троированиеосновных компонентови/или контроллерав целом с голосованиемпо результатамобработкисигналов всемиконтроллерами,составляющимигруппу (за выходнойсигнал принимаетсятот, которыйвыдали большинствоконтроллеровгруппы, а контроллер,рассчитавшийиной результат,объявляетсянеисправным);

  3. работапо принципу"пара и резерв".Параллельноработает параконтроллеровс голосованиемрезультатов,и аналогичнаяпара находитсяв горячем резерве.При выявленииразности результатовработы первойпары управлениепереходит ковторой паре;первая паратестируется,и либо определяетсяналичие случайногосбоя и управлениевозвращаетсяк первой паре,либо диагностируетсянеисправностьи управлениеостается увторой пары.

Контроллеры,предназначенныедля цепейпротивоаварийнойзащиты, должныиметь специальныйсертификат(например,соответствиеуровням SILстандарта IEC61508), подтверждающийих высокуюнадежностьи живучесть.

Контроллерыданного классачаще всегоимеют десяткивходов/выходовот датчикови исполнительныхмеханизмов,небольшую илисреднюю вычислительнуюмощность.

Мощностьпредставляетсобой комплекснуюхарактеристику,зависящую отразрядностии частоты процессора,а также объемапамяти разноготипа (оперативной,постояннойи т. д.).

Контроллерыреализуютпростейшиетиповые функцииобработкиизмерительнойинформации,блокировок,регулирования.Многие из нихимеют один илинесколькофизическихпортов дляпередачи информациина другие системыавтоматизации.

Также средилокальныхконтроллеровможно выделитьдве группы: неPC-совместимые(закрытые) иPC-совместимые(x86-совместимые,открытые)контроллеры.

Контроллерыпервой группы,как правило,базируютсяна специальноразработанныхпроцессорах(например, CPU 214 вSiemens SIMATIC S7-200). Производительоснащает этиконтроллерысобственнымии стандартнымикоммуникационнымиинтерфейсами,выпускаетразнообразныемодули расширения.

Важной особенностьюконтроллеровэтой группыявляется жесткаяпривязка кпрограммномуобеспечению(ПО) фирмы-производителя.ОтсутствиевозможностииспользованиястороннегоПО накладываетопределенныеограниченияна создание,эксплуатацию,масштабирование,модернизациюсистемы автоматизированногоуправления,ведет к увеличениюсовокупнойстоимостиконтроллераи программногообеспечения.

Этот типконтроллеров,как правило,поставляетсяизвестными,крупнымипроизводителямисредств промышленнойавтоматизации(Siemens, Allen-Bradley, Omron, Schneider).С другой стороныони гарантированообеспечиваютвысокую надежность,стабильностьи отлаженностьпрограммногообеспечение,контроллерови модулей расширения.

Ко второйгруппе принадлежатконтроллеры,построенныена базе Intel-совместимыхпроцессоров(80386EX, AMD80188-40, AMD DX5-133 (5x86-133)). Кроместандартныхдля PLC функцийэти контроллерыобладают большимивозможностями.Так, например,на них можновозложитьфункции работыс сетями, интерфейсачеловек-машина,поддержкуразличных базданных и болеедружественногоинтерфейсапользователя.Таким образом,РС-контроллерможно считатьРС-совместимойпрограммируемойPLC-системой,которая выполняетстрого определеннуюзадачу, но свозможностьюгибкого ееперепрограммирования.

Также в силуPC-совместимостиэтих контроллеровпредоставляетсяболее широкийвыбор средствпрограммирования:стандартныеязыки программирования(Asm, C, C++и т.п), специальныесредства разработки(средства разработкибазирующиесяна стандартеIEC 61131(МЭК 61131): ISAGrafи т.п.).

Производителиэтого типаконтроллеров,как правило,менее известнына рынке средствавтоматизации(ICP DAS,Advantech) преимущественноиз стран Азии(Тайвань), такжеесть российскиеразработки(ТЕКОН). С другойстороны стоимостьэтих контроллеровниже стоимостисвоих болееизвестных неPC-совместимыханалогов. Техническиеи эксплуатационныехарактеристикисходны с характеристикамианалогов.


8Сетевой комплексконтроллеров


Сетевые ПТКнаиболее широкоприменяютсядля управленияпроизводственнымипроцессамиво всех отрасляхпромышленности.Минимальныйсостав данногокласса ПТКподразумеваетналичие следующихкомпонентов:

  1. наборконтроллеров;

  2. несколькодисплейныхрабочих станцийоператоров;

  3. системную(промышленную)сеть, соединяющуюконтроллерымежду собоюи контроллерыс рабочимистанциями.

Контроллерыкаждого сетевогокомплекса, какправило, имеютряд модификаций,отличающихсядруг от другабыстродействием,объемом памяти,возможностямипо резервированию,способностьюработать вразных условияхокружающейсреды, числомканалов входа/выхода.Так что можноподобратьконтроллердля каждогоузла автоматизируемогоагрегата сучетом особенностейи выполняемыхфункций последнегои использоватьодин и тот жекомплекс дляуправленияразными производственнымиобъектами.

В качестведисплейныхрабочих станцийпочти всегдаиспользуютсяперсональныекомпьютерыв обычном илипромышленномисполнении;большей частьюс двумя типамиклавиатур:традиционнойалфавитно-цифровойи специальнойфункциональной- и оснащенныеодним или несколькимимониторамис большимиэкранами.

Системнаясеть можетиметь различнуюструктуру:шину, кольцо,звезду; оначасто подразделяетсяна сегменты,связанные междусобой, коммутаторами,повторителямии маршрутизаторами.Информация,передаваемаяпо сети, достаточноспецифичнаи может представлятьсобой какпериодические,так и случайныево временикороткие сообщения.К передачесообщенийпредъявляютсяжесткие требования:они гарантированнодолжны доставлятьсяадресату, а длясообщенийвысшего приоритета,например,предупреждающихоб авариях,также следуетобеспечитьуказанный срокпередачи сообщений.Так что предпочтительныеметоды доступак системнойсети основываютсяна передачемаркера илина взаимодействииузлов сети помодели "ведущий/ведомый"("Master/Slave").

Если применяетсяметод случайногодоступа к сети,то во времявозникновенияаварийнойситуации можетпроизойтирезкое одномоментноеувеличениечисла экстренныхсообщений и,как следствие,возникнутьзатор в сети,что приводитне только кзадержке доставкисообщенийадресату, нои к их частичнойпотере.

Чащевсего сетевыекомплексыприменяютсяна уровне цеховмашиностроительныхзаводов, агрегатовнефтеперерабатывающих,нефтехимическихи химическихпроизводств(правда, не самыхмощных), а такжецехов предприятийпищевой промышленности.


9Выбор контроллерныхсредств (ПЛК)


Выше былиуказаны рольи место программируемыхлогическихконтроллеров(ПЛК) в автоматизированныхсистемах управлениятехнологическимипроцессами.

Теперь приведемкраткую оценкуобъема российскогорынка контроллерныхсредств.

На нем работаютвсе международныелидеры - производителиданной продукции:ABB (распространяющаятакже контроллерныесредства фирмBaily Controls и Gartman & Braun), Emerson (бывшаяFisher-Rosemount), General Electric Fanuc Automation, Foxboro,Honeywell, Metso Automation (поглотилафирму Damatic Automation), MooreProducts, Omron, Rockwell Automation, Siemens, Yokogawa, SchneiderAutomation и др. Всегопорядка 15 фирм,каждая из которыхпредлагаетот двух до пятиконтроллерныхсредств разныхклассов.

Около 20 зарубежныхпроизводителейменьшего масштабаимеют российскихдилеров, внедряющихих контроллерныесредства нароссийскихпредприятиях(Koyo Electronics, Tornado, Triconex, PEP, Trey, ControlMicrosystems, GF Power Controls и др.).

Более 20 российскихпредприятийконкурируютс зарубежнымипроизводителямив разных классахконтроллерныхсредств ("Автоматика",ДЭП, "Импульс","Инсист Автоматика","Интеравтоматика","Квантор",НИИтеплоприбор,"НВТ-Автоматика",ПИК "Прогресс","Саргон","Системотехника",ТЕКОН, "Электромеханика",ЭМИКОН и др.).

Посколькуроссийскиепредприятиякомплектуютконтроллерныесредства зарубежнымимикропроцессорами,стандартнымисетями, типовымсистемным иприкладнымпрограммнымобеспечением,то продукцияотечественногопроизводстваоказываетсявполне конкурентоспособнойпо сравнениюс импортнымианалогами. Ксожалению, приэтом ее стоимостьтакже становитсясопоставимойс зарубежнымиизделиями.

Выбираемыймикроконтроллердолжен отвечатьследующимтребованиям:

поддержкатребуемогоколичествавходных и выходныхсигналов (неменее 16/8 аналоговыхвх./вых., 32/32 дискретныхвх./вых.);

  1. применениекак для непрерывныхпроизводств,так и для периодических;

  2. высокийуровень надежности,помехозащищенности(отказ микроконтроллераможет к большимэкономическимпотерям);

  3. высокаяпроизводительность,необходимаядля контролябольшого количестватехнологическихпараметров;

  4. использованиестандартныхпротоколови коммуникационныхинтерфейсовдля работы сверхним уровнем;

  5. широкийдиапазон модулейрасширениядля поддержкивсевозможныхдатчиков;

  6. развитаяпрограммнаяподдержка;

  7. широкийдиапазон рабочихусловий;

  8. оптимальнаяцена.

С учетомпоставленнойзадачи, технических,эксплуатационныххарактеристики потребительскихсвойств в результатеанализа российскогорынка средствпромышленнойавтоматизациибыл выбран рядконтроллерови составленасоответствующаясводная таблица(приложение3).

В таблицеприведенынекоторыехарактеристикиПЛК различныхпроизводителей.Рассматриваемыеконтроллерыимеют сходныефункциональныевозможности,близкие техническиеи эксплуатационныехарактеристики,некоторые почтиодинаковыеразмеры. В четырехпоследнихстроках указаныпараметры длямодулей дискретноговвода-вывода.Все контроллерыпостроены помагистрально-модульномупринципу, монтируютсяна панель илиDIN-рейку, работаютот напряженияот +24 до 220в и поддерживаютпротоколыобмена Fieldbus (приложение4), некоторыеEthernet, имеютширокий набормодулей:

  1. модулидискретныхвходов/выходов;

  2. коммуникационныемодули;

  3. модулианалоговоговвода/вывода;

  4. модулитерморегуляторов;

  5. модулипозиционирования;

  6. модулиПИД-регулятора;

  7. модуликонтроля движения.

Наличиеразличных PLCставит следующийвопрос: каквыбрать изэтого обилиянеобходимыйдля эффективногорешения поставленнойзадачи контроллер?Требуется непревосходствоодной какой-тохарактеристики,а некая интегральнаяоценка, позволяющаясравнить PLC посовокупностихарактеристики свойств.

Методикавыбора ПЛК


Учитываяспецификуустройств,критерии оценкиможно разделитьна три группы,изображенныена деревехарактеристикПЛК (рис. 6.2):