1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ОТДЕЛЕНИЯ БРОЖЕНИЯ СПИРТЗАВОДА
Основная стадия производства спирта, на которой образуется целевой продукт, – брожение. Наибольшее распространение получил непрерывный способ брожения, осуществляемого в батарее ферментаторов (бродильных аппаратов), соединенных последовательно. Перед началом процесса в головной ферментатор I (рис. 1.2) вводят культуру посевных дрожжей-сахаромицетов, выращенных в посевных ферментаторах IV, и подают поток осахаренного сусла. После заполнения головного ферментатора избыток культуральной жидкости по переливной трубе поступает во второй фермен-татор II и т. д., пока не будут заполнены все аппараты батареи. Из последнего ферментатора III культуральная жидкость (бражка) с объемной долей спирта 8—9% подается в отделение брагоректификации. В посевных ферментаторах IV и первых трех головных бродильных аппаратах микробиологические процессы протекают особенно интенсивно и сопровождаются значительным тепловыделением, поэтому они снабжены теплообменниками и охлаждаются водой.
Систему управления отделением брожения можно реализовать с помощью АСУТП (рис. 1.1) в которой используется управляющая ЭВМ, сетевые контроллеры, средства отображения и управления ТП, а также АРМ операторов и лаборатории.
Структура подразделений пищевого предприятия в основном опреде-ляется его мощностью и техническими средствами контроля и управления.
В схеме на рис. 1.1 используется следующий состав модулей:
1 — преобразователи (датчики) технологических параметров;
2 — электропневматические исполнительные устройства, пус¬ковая элек-троаппаратура;
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 про¬изводства;
10—-АРМ оператора (технолога, инженера, химика-аналитика и т. п.).
На первом уровне управления монтируются измерительные преобразователи (датчики), сигнализаторы параметров, средства управления исполнительными устройствами, пусковая аппаратура и АРМ химика-аналитика. Пульты управления ТП и оборудованием в основном расположены по месту объекта управления. Это стационарный пульт, предназначенный для установки на передней поверхности защитных шкафов со встроенными в них модемами или радиомодемами, блоки бесперебойного питания, аккумуляторы и другие необходимые устройства. Взаимосвязь аппаратуры осуществляется посредством НАRТ-протокола с помощью полевой сети Fieldbus Н1.
Второй уровень управления предусматривает использование сетевых контроллеров ТКМ-51 с информационной мощностью, обеспечивающей аналоговые входы/выходы 64/32, дискретные входы/выходы 192/160, в количестве трех комплектов (с «горячим» резервированием) на базе ПТК «САРГОН» с управляющей ЭВМ (Pentium IV), функционирующего в режиме операторской рабочей, станции, наличие сервера ОРС и БД на базе ЭВМ (Pentium IV), АРМ химика-аналитика и АРМ оператора-технолога на базе ЭВМ 1ВМ РС. Прием и передача информации осуществляются посредством промышленной сети Profibus DP, возможно использование Modbus. ОС функционирует с помощью ОС Windows NT. Основное программное обеспечение связано с SСАDА-программой Трейс Моуд, реализующей основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе для контроля и управления. Оно состоит из инструментального и исполнительного комплексов. Открытость SСАDА-программы гарантирует функционирование СУ в ОРС-сервере, что обеспечивает работу сетевых структур без специальных драйверов. В качестве ОС контроллеров используют типовую систему О8-9 или версии Windows, что позволяет применять прикладное ПО для контроллеров.
Информационная мощность АСУТП отделения брожения (рис. 1.2) составляет: входы/выходы 14/14, т.е. 28. Из них аналоговые входы/выходы 9/9, дискретные входы/выходы 5/5, т. е. имеется достаточный резерв.
АСУТП отделения брожения осуществляет отображение ин¬формации о протекании ТП в режиме РВ, контроль поступления сырья и материалов, ввод задания и команд с клавиатур ПТК и АРМ оператора-технолога, а также управление ТП.
Основной задачей управления на стадиях дрожжегенерации и броже-ния является поддержание оптимальной температуры в посевных и головных бродильных ферментаторах. Как объекты регулирования они обладают большой инерционностью и значительным временем запаздывания. Температура в каждом аппарате измеряется термопреобразователями сопротивления ТСМ и АЦП (АDАМ-5017Н) или модулем АDАМ-5013 (1-1, 1-2, 1-3), которые подключены к регулирующему каналу контроллера ТКМ-51 (1-4) с выходом на регистрирующее устройство АЦПУ (/-5). Выходные сигналы посредством нормирующих усилителей (1-7) управляют подачей холодной воды в соответствующие ферментаторы по¬средством ЦАП (АDАМ-5024) и ре-гулирующих клапанов (1-8) + (1-10).
Для предотвращения инфицирования культуральной жидкости ферментаторы периодически стерилизуют «острым» паром, что в целом неблагоприятно сказывается на работе системы управления температурным режимом. Для устранения этого предусмотрена возможность шунтирования в период стерилизации сопротивлений дополнительным резистором. Переливы в ферментаторах предотвращаются электронными сигнализаторами уровня (2-1) ч- (5-7) и АЦП (модуль АDАМ-5017Н), включенными в электрическую схему световой и звуковой сигнализации с выходом на пульты ЭВМ и АРМ технолога. В ходе брожения выделяются газы, в основном содержащие углекислый газ и пары спирта. Отходящие газы направляются в спиртоловушку V, которая орошается водой. Пары спирта растворяются в воде, образовавшаяся водноспиртовая смесь подается в брагоректификационную установку, а углекислый газ поступает на переработку в цех углекислоты. Системой управления предусмотрено регулирование расхода воды, поступающей из спиртоловушки. Расход измеряется индукционным расходомером (6-1) и АЦП (АОАМ 5017Н), выходной сигнал которого подается на регистрацию АЦПУ (6-2) и в регулирующий канал контроллера ТКМ-51, выполняющего ПИ-закон регулирования (6-3), и далее — на ЦАП (модуль АDАМ-5024). Выходной управ¬ляющий сигнал с контроллера посредством ЦАП подается на ре¬гулирующий клапан (6-4), установленный на линии по-дачи воды.
Для обеспечения безопасных условий работы в бродильном отделении предусмотрены автоматические контроль и регулирование концентрации углекислоты в воздухе производственного помещения. Пробы воздуха непрерывно просасываются через приемник газоанализатора ГИАМ-15М (7-3), в комплект которого входит устройство отображения информации (телемонитор и АЦПУ) ЭВМ и контроллер ТКМ-51 (7-5). Если концентрация углекислого газа в помещении превышает предельно допустимую норму, то посредством ЦАП (АDАМ-5024) включается электродвигатель привода вентилятора VI, а также световая и звуковая сигнализация (7-4) на пультах ЭВМ и АРМ технолога.
Рис. 1.1. Структурная схема АСУТП бродильного отделения.
Рис. 1.2. Схема системы управления отделением брожения.
Термопреобразователь сопротивления ТСМ
Термопреобразователи (датчики температуры) предназначены для не-прерывного измерения температуры различных рабочих сред (например, пар, газ, вода, сыпучие материалы, химические реагенты и т.п.), не агрес-сивных к материалу корпуса датчика.
Модели датчиков с резьбовым креплением выпускаются в стандарт-ном исполнении с метрической резьбой. Возможно также их изготовление с трубной резьбой по спец. заказу.
Основные критерии правильного выбора термопреобразователя:
• Соответствие измеряемых температур рабочим диапазонам измерений термопреобразователей;
• Соответствие прочности корпуса датчика температуры условиям эксплуатации;
• Правильный выбор длины погружаемой части датчика и длины соединительного кабеля;
• Необходимость взрывозащищенного исполнения для работы на взрывопожароопасных участках.
Принцип действия термосопротивления основан на свойстве провод-ника изменять электрическое сопротивление с изменением температуры окружающей среды.
Термосопротивления отличаются материалом чувствительного эле-мента: ТСМ – медь, ТСП – платина.
Термопреобразователи сопротивления относятся к числу наиболее распространенных преобразователей температуры, используемых в цепях измерения и регулирования. Термопреобразователи сопротивления выпускаются многими отечественными и зарубежными фирмами, такими как «Термико», «Элемер» (Московск. обл.), «Навигатор», «Термоавтоматика» (Москва), «Тепло- прибор» (г. Владимир и г. Челябинск), Луцкий приборостроительный завод (Украина), Siemens, Jumo (Germany), Honeywell, Foxboro, Rosemount (USA), Yokogawa (Япония) и др.
Термометром сопротивления называется комплект для измерения температуры, включающий термопреобразователь, основанный на зависимости электрического сопротивления от температуры, и вторичный прибор, показывающий значение температуры в зависимости от измеряемого сопротивления. Для измерения температуры термопреобразователь сопротивления необходимо погрузить в контролируемую среду и каким-либо прибором измерить его сопротивление. По известной зависимости между сопротивлением термопреобразователя и температурой можно определить значение тем-пературы. Таким образом, простейший комплект термометра сопротивления (рис. 1.3, а) состоит из термопреобразователя сопротивления (ТС), вторичного прибора (ВП) для измерения сопротивления и соединительной линии (ЛC) между ними (она может быть двух, трех или четырехпроводной).
Рис. 1.3. Схемы термометров сопротивления:
а — термопреобразователь с вторичным прибором; б — термопреобразователь с норми-рующим преобразователем; ТС — термопреобразователь сопротивления; ВП, ВП1, ВП2 — вторичные приборы; ЛС — линии связи; НП — нормирующий преобразователь; БРТ — блок размножения токового сигнала
В качестве вторичного прибора обычно используются аналоговые или цифровые приборы (например, КСМ-2, РП-160, Технограф, РМТ-39/49), реже — логометры (например, Ш-69001). Шкалы вторичных приборов градуируются в градусах Цельсия.
Широко применяются схемы с нормированием выходного сигнала термопреобразователей (рис. 1.3, б). В этом случае линией связи термопреобразователь сопротивления соединяется с нормирующим преобразователем НП (например, Ш-9321, ИПМ-0196 и т.п.), имеющим унифицированный выходной сигнал (например, 0...5 или 4...20 мА). Для использования в нескольких измерительных каналах этот сигнал размножается блоком размножения БРТ и затем поступает к нескольким вторичным приборам (ВП-1, ВП-2 и т.п.) или иным потребителям. Очевидно, что в этом случае вторичными приборами должны быть миллиамперметры. Выпускаются преобразователи сопротивления, в головке которых располагается схема нормирования, т.е. их выходным сигналом является ток 0...5, 4...20 мА или цифровой сигнал (интеллектуаль-ные преобразователи). В таком случае необходимость использования нормирующего преобразователя НП в виде отдельного блока отпадает.
Термопреобразователи сопротивления с выходным унифициро-ванным сигналом имеют в своем обозначении букву У (например, ТСПУ, ТСМУ). Характеристики этих преобразователей и с цифровым выходным сигналом (Метран-286) приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технические данные термопреобразователей сопротивления
Тип термопреобразователя со-противления Класс до¬пуска Интервал исполь-зования, °С Пределы допускаемых от-клонений ± ? t, °С
ТСМ А
В
С -50...120
-200... 200
-200... 200 0,15+ 0,0015 *|t|
0,25 + 0,0035 *|t|
0,50 + 0,0065 *t|
ТСП А
В
С -200...650
-200...850
-100...300 и 850...1100 0,15 + 0,002 *|t|
0,30 + 0,005 *|t|
0,60 + 0,008 *|t|
ТСПУ — 0...600 0,25; 0,5 % (приведен-ная)
ТСМУ — -50... 180 0,25; 0,5 % (приведен-ная)
КТПТР 1
2 0...180 по ? t 0,05 + 0,001? t 0,10 + 0,002? t
Метран 286 выход 4...20 мА HART протокол - 0...500 (с 100П) 0,25 (цифровой сигнал) 0,3 (токовый сигнал)
Для изготовления термопреобразователей сопротивления (ТС) могут использоваться либо чистые металлы, либо полупроводниковые материалы. Электрическое сопротивление чистых металлов увеличивается с ростом температуры (их температурный коэффициент достигает 0,0065 К-1, т.е. сопротивление увеличивается на 0,65% при увеличении температуры на один градус). Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления имеют отрицательный температурный коэффициент (т.е. их сопротивление уменьшается с ростом температуры), доходящий до 0,15 К-1. Полупроводниковые ТС не используются в системах технологического контроля для измерения температуры, так как требуют периодической индивидуальной градуировки. Обычно они используются как индикаторы температуры в схемах компенсации температурной погрешности некоторых средств измерения (например, в схемах кондуктометров).
Термопреобразователи сопротивления из чистых металлов, полу-чившие наибольшее распространение, изготавливают обычно из тонкой проволоки в виде намотки на каркас или спирали внутри каркаса. Такое изделие называется чувствительным элементом термопреобразователя сопротивления. Для предохранения от повреждений чувствительный элемент помещают в защитную арматуру. Достоинством металлических ТС является высокая точность измерения температуры (при невысоких температурах выше, чем у термоэлектрических преобразователей), а также взаимозаменяемость. Металлы для чувствительных элементов (ЧЭ) должны отвечать ряду требований, основными из которых являются требования стабильности градуировочной характеристики и воспроизводимости (т.е. возможности массового изготовления ЧЭ с одинаковыми в пределах допускаемой погрешности градуировочными характеристиками). Если хотя бы одно из этих требований не выполняется, материал не может быть использован для изготовления термопреобразователя сопротивления. Желательно также выполнение дополнительных условий: высокий температурный коэффициент электрического сопротивления (что обеспечивает высокую чувствительность — приращение сопротивления на один градус), линейность градуировочной характеристики R(t) = f(t), большое удельное сопротивление, химическая инертность.
По ГОСТ Р50353-92 термопреобразователи сопротивления могут изготавливаться из платины (обозначение ТСП), из меди (обозначение ТСМ) или никеля (обозначение ТСН). Характеристикой ТС является их сопротивление R0 при 0 °С, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и класс.
Электронный сигнализатор уровня
Сигнализаторы уровня являются наиболее распространёнными устройствами автоматики. Принцип действия этих устройств весьма разнообразен и определяется как физическими свойствами среды, так и поставленными задачами. В промышленности для измерения и сигнализации уровня различных жидкостей в ёмкостях используют различные способы. Измерители и сигнализаторы уровня могут быть радарного типа, когда от прибора к поверхности жидкости посылается ультразвуковой сигнал или электромагнитная волна микроволнового диапазона и по времени задержки отражённой волны вычисляется дистанция. Часто применяются поплавковые датчики - при всплытии поплавка срабатывает контактный или бесконтактный сигнализатор. Иногда уровень жидкости в ёмкости определяют по давлению на входе датчика, вваренного в её нижнюю часть. Очень распространены виб-рационные датчики, которые представляют собой генератор и резонаторы камертонного типа, которые погружаются в измеряемую среду. При резком изменении добротности резонансной системы прибор выдаёт соответствую-щий сигнал.
Имеются системы, основанные на измерении затухания ультразвуковой волны, распространяющейся по стенке ёмкости от излучателя, располагаемого на уровне уставки сигнализации до приёмника, расположенного по горизонтали на некотором расстоянии. Бывают даже радиоизотопные приборы, просвечивающие стенку ёмкости, на противоположной стороне которой располагается счётчик Гейгера. Достаточно распространены ёмкостные сигнализаторы, представляющие собой контрольные электроды, покрытые изолирующим слоем, например, фторопластом. Когда жидкость покрывает электроды, подключенные к генератору, увеличивается электрическая ёмкость электрода относительно стенок резервуара или рядом расположенного вспомогательного электрода, изменение которой измеряет вторичный прибор. Для сигнализации уровня электропроводных неагрессивных жидкостей чаще всего применяют контрольные электроды, представляющие собой прут из нержавеющей, стали или иного материала, не подверженного окислению, закреплённый на специальном изоляторе - зонде, кото-рый имеет крепёжные элементы. Если в измеряемой ёмкости отсутствуют механические устройства для перемешивания, и измеряемая жидкость нахо-дится в спокойном состоянии - контрольные электроды устанавливают сверху.
Для сигнализации нормативных уровней электроды выполняют разной длины, с расчётом, чтобы по достижению заданного уровня жидкость коснулась нижней части электрода. Для исключения эффекта поляризации - процесса электролиза на поверхности электродов, приводящего к образованию плохо проводящей корки - на контрольные электроды должен подаваться переменный ток с высокой степенью симметрии, необязательно синусоидальный. Простейшие сигнализаторы, использующие принцип измерения сопротивления постоянному току между контрольным электродом и вспомогательным, схемы которых часто публикуются в радиолюбительской литературе, практически неработоспособны из-за быстрого увеличения сопротивления в цепи электродов по причине поляризации, что приводит к отка-зу сигнализатора.
Обычно уровень переменного напряжения на контрольных электродах составляет около 6 В, а электронная схема срабатывает при сопротивлении в цепи контрольного электрода ниже 3 кОм. Схема сигнализатора должна иметь симметричный вход для обоих полуволн контрольного напряжения. Напряжение, выделенное на измерительном резисторе, выпрямляется и поступает на вход порогового элемента, имеющего гистерезисную характеристику, на выходе которого подключается реле или бесконтактный коммутационный элемент.
