Обоснование схем автоматизации

Недостатки Шеллак

Недостатки Shellac в процессе его использования минимальны. Некоторые неудобства связаны с выполнением Шеллак-маникюра дома. Высыхание и полимеризация средства возможны в профессиональной лампе с ультрафиолетом. Этот момент пока не позволяет назвать процедуру домашней и предполагает посещение мастера по маникюру в салоне красоты. Однако профессиональные инвестиции в собственную красоту никогда не бывают напрасными или лишними. Преимущества средства и отсутствие его аналогов на рынке заставляют забыть о стоимости процедуры и особенностях ее проведения.

Выбор вида регулирования полностью определяется характеристиками технологического параметра, а построение системы регулирования в общем – связанностью технологических параметров.

Наиболее просты в наладке и использовании, а также надёжны в работе одноконтурные системы регулирования, поэтому они широко используются при автоматизации технологических объектов.

		Объект W(p)

xв y

Регулятор R(p)

хр

E y0

Рис. Структурная схема одноконтурной системы регулирования

В данном проекте выбраны одноконтурные АСР, поскольку они полностью решают поставленную задачу управления. Объекты обладают благоприятными характеристиками, поэтому требуемое качество регулирования обеспечивается стандартным ПИД - регулятором.

4. Выбор и обоснование
схемы автоматизации

Стабилизация параметра pH является одной из наиболее важных и сложных задач при автоматизации процесса биосинтеза. Ввиду нелинейной характеристики показателя pH, даже при малых количествах поданного титранта, параметр может выйти за пределы технологических уставок. Поэтому предлагается следующая схема автоматизации: 10% раствор NaOH будет подаваться маленькими порциями при помощи мембранного клапана, частота выдачи этих порций (импульсов) пропорциональна выходу с обычного ПИ регулятора, на вход которого подаётся разбаланс между текущим и заданным значением величины параметра pH. Такое импульсное регулирование не позволит показателю pH скачкообразно выйти за пределы технологических уставок [6,7]. Опрос датчиков pH следует производить с периодом 5 с когда не производится корректировка pH подачей титранта и с периодом 0,5 с, когда подаётся раствор NaOH.

Температура характеризует тепловой баланс ферментера, который складывается из выделения тепла при протекании биохимических реакций, работе мешалки, подвода энергии со сжатым воздухом, и отвода тепла с отходящими газами, а также через рубашку. Основными возмущающими воздействиями служат изменение тепловыделения при смене фаз физиологического развития микроорганизмов-продуцентов, подвод тепла с воздухом, а также изменение температуры охлаждающей воды, поступающей в теплообменник. Регулирующим воздействием является изменение степени открытия клапана на подаче охлаждающей воды. Вследствие большой тепловой емкости этот объект обладает значительной инерционностью и чистым запаздыванием. Следовательно, для регулирования температуры достаточно одноконтурной АСР по каналу “расход охлаждающей воды в рубашку – температура ферментационной среды”. Опрос датчиков температуры следует производить с периодом 5с.

На функциональной схеме отображены все основные аппараты процесса, места установки датчиков (с указанием их типа), регулирующие клапаны, показаны потоки (сырье, продукты реакции, побочные продукты, промежуточные вещества).

Контур измерения и регулирования температуры в инокуляторе И/1

Температура охлаждающей воды в инокуляторе (И/1) измеряется датчиком температуры TT 5-1 и регулируется клапаном TCV 5-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования показателя pH в инокуляторе И/1

Показатель pH измеряется датчиком QT 4-1, расположенным в инокуляторе и регулируется клапаном QCV 4-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования давления в инокуляторе И/1

Давление измеряется датчиком PT 6-1, расположенным в инокуляторе и регулируется клапаном PCV 6-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования температуры в посевном ферментере Ф/1

Температура охлаждающей воды в ферментере (Ф/1) измеряется датчиком температуры TT 12-1 и регулируется клапаном TCV 12-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования показателя pH в посевном ферментере Ф/1

Показатель pH измеряется датчиком QT 13-1, расположенным в ферментере и регулируется клапаном QCV 13-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования давления в в посевном ферментере Ф/1

Давление измеряется датчиком PT 11-1, расположенным в ферментере и регулируется клапаном PCV 11-2, установленным на трубопроводе.

Контроль уровня в посевном ферментере Ф/1

Уровень жидкости в ферментере (Ф/1) измеряется датчиком LS 10-1.

Контур измерения и регулирования температуры на выходе из теплообменника ТО/1

Температура конденсата на выходе из теплообменника (ТО/1) измеряется датчиком температуры TT 14-1 и регулируется клапаном TCV 14-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования температуры в инокуляторе И/2

Температура охлаждающей воды в инокуляторе (И/2) измеряется датчиком температуры TT 19-1 и регулируется клапаном TCV 19-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования показателя pH в инокуляторе И/2

Показатель pH измеряется датчиком QT 18-1, расположенным в инокуляторе и регулируется клапаном QCV 18-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования давления в инокуляторе И/2

Давление измеряется датчиком PT 20-1, расположенным в инокуляторе и регулируется клапаном PCV 20-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования температуры в посевном ферментере Ф/2

Температура охлаждающей воды в ферментере (Ф/2) измеряется датчиком температуры TT 26-1 и регулируется клапаном TCV 26-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования показателя pH в посевном ферментере Ф/2

Показатель pH измеряется датчиком QT 27-1, расположенным в ферментере и регулируется клапаном QCV 27-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования давления в в посевном ферментере Ф/2

Давление измеряется датчиком PT 25-1, расположенным в ферментере и регулируется клапаном PCV 25-2, установленным на трубопроводе.

Контроль уровня в посевном ферментере Ф/2

Уровень жидкости в ферментере (Ф/1) измеряется датчиком LS 24-1.

Контур измерения и регулирования температуры на выходе из теплообменника ТО/2

Температура конденсата на выходе из теплообменника (ТО/2) измеряется датчиком температуры TT 28-1 и регулируется клапаном TCV 28-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования показателя pH в сборнике питательной среды С/1

Показатель pH питательной среды измеряется датчиком QT 36-1, расположенным в сборнике и регулируется клапаном QCV 36-3, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования показателя pH в сборнике питательной среды С/2

Показатель pH питательной среды измеряется датчиком QT 41-1, расположенным в сборнике и регулируется клапаном QCV 41-3, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования температуры в теплообменнике ТО/3

Температура культуральной жидкости на выходе из теплообменника (ТО/1) измеряется датчиком температуры TT 42-1 и регулируется клапаном TCV 42-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования показателя pH в производственном ферментере ФП/1

Показатель pH культуральной жидкости измеряется датчиком QT 49-1, расположенным в ферментере и регулируется клапаном QCV 49-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования показателя pH в производственном ферментере ФП/2

Показатель pH культуральной жидкости измеряется датчиком QT 54-1, расположенным в ферментере и регулируется клапаном QCV 54-2, установленным на трубопроводе.

Контур измерения и регулирования температуры в теплообменнике ТО/4

Температура культуральной жидкости на выходе из теплообменника (ТО/4) измеряется датчиком температуры TT 56-1 и регулируется клапаном TCV 56-2, установленным на трубопроводе.

Контроль уровня в сборнике питательной среды С/1

Уровень питательной среды в сборнике (С/1) измеряется датчиком LS 35-1.

Контроль уровня в сборнике питательной среды С/2

Уровень питательной среды в сборнике (С/2) измеряется датчиком LS 40-1.

Контроль уровня в производственном ферментере ФП/1

Уровень поддоне ферментера (ФП/1) измеряется датчиком LS 50-1.

Контроль уровня в производственном ферментере ФП/1

Уровень культуральной жидкости в ферментере (ФП/1) измеряется датчиком LS 48-1.

Контроль давления в производственном ферментере ФП/1

Давление культуральной жидкости в ферментере (ФП/1) измеряется датчиком PT 47-1.

Контроль уровня в производственном ферментере ФП/2

Уровень поддоне ферментера (ФП/2) измеряется датчиком LS 55-1.

Контроль уровня в производственном ферментере ФП/2

Уровень культуральной жидкости в ферментере (ФП/2) измеряется датчиком LS 53-1.

Контроль давления в производственном ферментере ФП/2

Давление культуральной жидкости в ферментере (ФП/2) измеряется датчиком PT 52-1.

5. Основные функции и выбор технических средств

В процессе биосинтеза происходит рост биомассы. Если процесс проводится не в стерильных условиях качество выходного продукта низкое, поэтому процесс необходимо проводить в стерильных условиях. Это достигается за счет строгого соблюдения технологического регламента работы ферментера и вспомогательного оборудования.

Система управления процессом биосинтеза состоит из следующих АСР: регулирование давления в ферментере, регулирование температуры в ферментере, регулирование рН - показателя.

В ферментере должна поддерживаться определенная температура для достижения оптимального качества конечного продукта, это достигается путем регулирования подачи расхода пара и охлаждающей воды в рубашку ферментера.

Важным и опасным технологическим параметром в ферментере при стерилизации является давление, так как при охлаждении после нагрева паром в ферментере образуется разряжение и давление в аппарате необходимо выровнять. Давление должно выравниваться подачей сжатого воздуха в ферментер.

Поскольку во время биосинтеза в аппарате работает мощное перемешивающее устройство, то можно считать ферментёр объектом с сосредоточенными параметрами. В окрестности pH = 7 кривая титрования хорошо аппроксимируется линейной зависимостью, однако поскольку кривая титрования идёт довольно круто, то имеет смысл использовать импульсное управление – подавать раствор NaOH небольшими порциями, частота которых пропорциональна величине управляющего воздействия, выходящего с ПИД - регулятора.

В ферментере предусмотрено отборное устройство для отбора проб на исследование активности и наличия нежелательной микрофлоры. В случае обнаружения патогенной микрофлоры в аппарат прекращается подача, воздуха, охлаждающей воды. Культуральная жидкость сливается перерабатывается, аппарат промывается, стерилизуется и заполняется заново.

Технические средства автоматизации (ТСА) выбраны так, что в рамках АСУ ТП соблюдены такие принципы Государственной системы приборов (ГСП), как:

· агрегатирование;

· унификация сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков;

· минимизация номенклатуры;

· реализация эстетических и эргономических требований с точки зрения рациональности.

Выбор измерительных приборов

В качестве измерительных приборов выбраны приборы, исходя из следующих соображений:

· производство непожаровзрывоопасно;

· легкость сопряжения со средствами микропроцессорной техники;

· соединительные линии не вносят динамических искажений

· использование в аппаратах с температурой рабочей среды не ниже 140°С.

Из-за того, что температуры процесса высоки в качестве датчиков температуры выбраны термопреобразователь сопротивления медный Метран-204 ТСМ(100М).

Для измерения давления в ферментере выбираем приборы типа датчик давления Метран-43-ДИВ-3341-01 (диапазон измерения 0..530 кПа).

рН – показатель измеряется рН электродом 3100 фирмы Mettler Toledo.

Выбор этой фирмы обусловлен условием стерильности сенсоров и высокой температурой рабочей среды этих приборов.

Выбор регулирующей и запорной арматуры

В качестве регулирующей арматуры применяются клапана – регулирующий клапан типа 25ч939нж. Управление клапаном производится от электрического исполнительного механизма МЭО. Внутренняя расходная характеристика линейная.

В качестве запорной арматуры применяем клапан отсечной типа 22с934р. Управление клапаном производится с помощью электродвигателя. Фиксация клапана в открытом положении осуществляется защелкой.

Все датчики имеют унифицированный токовый выход 4-20 мА, с поддержкой HART протокола. С целью уменьшения числа проводов, упрощения и снижения стоимости монтажных работ для связи датчиков с контроллером используем режим моноканала (многоточечный режим) – все датчики соединены параллельно с 2 проводами, идущим в ЦПУ, питание датчиков осуществляется по линии 4мА от блока питания расположенного в ЦПУ, информация снимается при помощи HART-модема. Период опроса одного датчика составляет менее 10 секунд (что вполне достаточно поскольку аппарат имеет достаточно большую инерционность).

Выбор средств микропроцессорной техники

С точки зрения обработки информационных сигналов наш проект предъявляет высокие требования по быстродействию только к контурам стабилизации показателя pH подачей титранта, поэтому эти контуры реализованы с помошью специализированных систем стабилизации pH.

Остальные задачи автоматизации могут быть реализованы на контроллерах.

Все задачи, которые возложены на средства микропроцессорной техники в данной АСУ ТП, можно решить с помощью микропроцессорного контроллера Овен ПЛК-154, который обеспечивает высокую точность и надежность регулирования. Данный контроллер предназначен для автоматического регулирования, логического и непрерывно-дискретного управления ТП. ПЛК-154 имеет следующие преимущества:

o регулирует основные технологические параметры (температуру, расходы, давление, уровни) и автоматически корректирует настройки регулятора;

o осуществляет ПИ и ПИД-регулирование;

o осуществляет управление отсечными и регулирующими клапанами;

o предусмотрена связь с ЭВМ и системой более высокого уровня посредством Ethernet-сети;

o позволяет реализовать различные режимы обработки и анализа информации для разных приборов.

Нижний уровень (полевой – уровень датчков и исполнительных механизмов) системы автоматизации управления состоит из первичных преобразователей (термосопротивления, pH электроды), вторичных преобразователей, преобразовывающих сопротивление и ЭДС в унифицированный токовый сигнал 4‑20 мА с поддержкой HART-протокола, пневматических регулирующих клапанов с электрическими позиционерами с поддержкой HART-протокола, дискретных датчиков (ёмкостные сигнализаторы уровня, концевые выключатели клапанов), дискретных исполнительных механизмов (системы управления двигателями мешалок, насосов и т.д.).

Все жилы от датчиков и исполнительных механизмов с поддержкой HART-протокола параллельно соединяются в клеммной коробке, находящейся в цеху, в одну токовую пару, которая ведётся в корзину модулей ввода/вывода к блокам ввода/вывода с поддержкой HART-протокола. Таким образом можно существенно уменьшить объём и стоимость монтажных работ, упростить наладку и тестирование датчиков и проводок.

Средний уровень (уровень PLC/SoftPLC/RTU) состоит из контроллеров, блоков ввода и вывода.

Обмен данных между уровнями PLC и SCADA осуществляется через сеть Industrial Ethernet (с использованием витой пары F/STP категории 5e). Участки сети, не относящиеся к оперативному управлению, отделены от операторских маршрутизаторами фирмы “MOXA”. Магистральные коммутаторы Industrial Ethernet, объединенные в кольцо по технологии Turbo Ring, способны восстановить работоспособность сети менее чем за 300 мсек при обрыве связи.

К этим же коммутаторам подсоединены компьютеры операторов уровня SCADA, управляющих технологческим процессом, ведущих мониторинг состояния оборудования, приборов и сети Industrial Ethernet и осуществляющих видеонаблюдение за отделениями производства. В качестве SCADA системы выбран “Trace Mode 6” [9]. Резервированные серверы технологической информации позволяют обратиться не только к данным реального времени, но и к архивным.

В качестве контроллера выбраны контроллеры измерительные MC8.301 и MC5.100, производитель - МЗТА

Контроллеры МС8 и МС5 входят в состав комплекса КОНТАР. Предназначены для автоматизированного управления, контроля и мониторинга разнообразных технологических процессов.

Дата добавления: 2015-06-30