Производство сметаны

 

9 Автоматизация  технологического процесса

 

 

9.1 Анализ технологического  процесса с точки зрения автоматизации

 

Внедрение автоматизированной системы управления является наиболее прогрессивным направлением в области автоматизации. При большом расстоянии между технологическими аппаратами и щитами управления целесообразно применять электрические средства автоматизации. Химические производства относятся к числу взрывопожароопасных и автоматизация осуществляется на основе использования взрывозащищенных средств автоматизации с использованием контроллеров и персональных компьютеров (ПК). Контроллер – многофункциональное программируемое средство организации измерительных каналов. ПК обрабатывает по заложенной в нём программе информацию, поступившую от датчиков. Высвечивает на табло значения измеренных параметров. ПК применяется, во-первых, для облегчения работы оператора, т.к. за короткий промежуток времени обрабатывает большое количество информации; во-вторых, может выполнять роль «советчика», при котором компьютер рекомендует оператору оптимальные значения режимных параметров процесса и, в-третьих, сравнивая текущие значения с заданными, выдают корректирующий сигнал на регулятор или непосредственно на исполнительный механизм. Иерархическая структура автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) включает в себя:

- 1-й уровень полевого контрольного измерительного прибора (КИП);

- 2-й уровень – станции управления процессом;

- 3-й уровень оперативного персонала, базирующийся на инженерных станциях операторов технологического процесса [40].

1-й уровень АСУТП реализован на базе датчиков и исполнительных механизмов. На уровне 1 частично применяются датчики интеллектуальной серии, и на них выполняются функции опроса и шкалирования измеряемых сигналов с передачей информации по протоколу Highway Addressable Remote Transducer – цифровой промышленный протокол передачи данных (HART).

Технические средства 2, 3 уровней размещаются  в помещении операторной. Станции  управления процессом реализованы  на базе контроллера PCУ (распределенная система управления – собирает информацию, вырабатывает регулирующие воздействия) и контроллера ПАЗ (система противоаварийной защиты – контролирует нарушения в ходе технологического процесса, осуществляет защиту и блокировку аппаратов, вырабатывает защитные воздействия). Функции РСУ и ПАЗ выполняют программируемые контроллеры. Контроллеры выполняют следующие функции:

- воспринимают аналоговые, дискретные электрические унифицированные сигналы;

- измеряют и нормируют принятые сигналы;

- выполняют программную обработку сигналов с первичных преобразователей и формируют аналоговые и дискретные управляющие сигналы;

- отображают информацию на экране;

- управляются при помощи стандартной клавиатуры.

3-й уровень АСУТП представлен автоматизированными рабочими местами оператора-технолога и оператора-инженера. Обеспечивается ведение базы данных, визуализация состояния технологического оборудования, обработка данных, формирование и печать отчетных документов, ручное дистанционное управление технологическим оборудованием. Станции оснащены современными ПК. Информация с контрольно-измерительных приборов и датчиков в виде аналоговых и дискретных сигналов поступает с 1 уровня на технические средства 2 уровня, на которых реализуются в автоматическом режиме функции сбора, первичной обработки информации, регулирования, блокировок. Информация, необходимая для контроля и управления технологическими процессами, поступает от контроллеров на 3-й уровень - операторские станции и станции главных специалистов завода [41].

Диалог оператора с  системой управления осуществляется с  использованием цветного дисплея, клавиатуры и манипулятора «мышь». На операторской станции сконфигурирован пользовательский интерфейс для взаимодействия оператора с системой. Для вызова необходимой информации оператору достаточно при помощи «мыши» выбрать на экране надпись или изображение какого-либо объекта и одной или двумя манипуляциями вывести на экран необходимую информацию. Клавиатура также может быть использована для получения необходимой информации. Кроме этого при помощи клавиатуры производится ввод текстовой и цифровой информации. Сообщения о нарушениях предупредительных и предаварийных границ для аналоговых параметров, действиях операторов по управлению технологическими процессами регистрируются и выводятся на печать по запросу оператора. Выход аналогового параметра за допустимые границы, сигнализация, нарушение связи с объектами по какому-либо из каналов связи отображается на операторской станции звуковой сигнализацией и цветовым отображением изменений на мнемосхемах [42].

Информация, выводимая  оператору на экран монитора по его  запросу, может иметь различные  виды:

- обобщенная мнемосхема, представляющая весь объект автоматизации.  С этой мнемосхемы можно перейти  на подробную мнемосхему любого узла, выбрав его на экране курсором;

- мнемосхемы отдельных узлов, отображающие часть технологической цепочки с индикацией величин аналоговых сигналов;

           - оперативные тренды, показывающие состояние параметра;

            - исторические тренды, позволяющие отслеживать состояние аналогового параметра за длительные периоды (смена, сутки, месяц);

- панели контроля и управления аналоговыми регуляторами;

- аварийные и технологические сообщения.

При выборе контроллера решающими  факторами являются:

- надежность модулей ввода/вывода;

- скорость обработки и передачи информации;

- широкий ассортимент модулей;

- простота программирования;

- распространенность интерфейса связи с электронными вычислительными машинами (ЭВМ) [29, 30].

Целью и задачей проектируемой схемы является обеспечение эффективной работы технологического процесса с помощью контроля и регулирования параметров процесса. Выбор параметров контроля и вида автоматизации приведены в таблицах 9.1 и 9.2.

 

Таблица 9.1 – Контролируемые и регулируемые параметры

Аппарат	Параметры
	температура	уровень	давление	влажность
Пластинчатый охладитель	+	-	-	-
Танк хранения, емкость		+	-	-
Пластинчатый нагреватель	+	-	-	-
Пастеризационно-охладительная  установка	+	-	-	-
Гомогенизатор	-	-	+	-
Танк сквашивания	+	+	-	-

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 9.2 – Величина параметров и вид автоматизации

Аппарат и параметр	Величина параметра и размерность	Вид автоматизации
		измерение	регули-рование	сигна-лизация	защита
Пластинчатый охладитель – температура	4 °С	+	+	+	-
Танк хранения, емкость – уровень	2 м	+	-	+	-
Пластинчатый нагреватель – температура	40 °С	+	+	+	-
Сепаратор – число оборотов двигателя	680 об/мин	+	+	-	-
Пастеризационно-охладительная  установка – температура	94 °С	+	+	+	-
	27 °С	+	+	+	-
Гомогенизатор	12,5 МПа	+	+	-	-
Танк сквашивания
– уровень	1,5 м	+	-	+	-
– температура	27 °С	+	+	+	-
	18 °С	+	+	+	-
Двигатель	-	-	-	-	+

 

9.2 Описание функционирования схем автоматического контроля и регулирования параметров технологического процесса

 

Схема 1. Контроль температуры в теплообменнике. Регулирование температуры целевого продукта в теплообменнике установке осуществляется интеллектуальным датчиком Метран-281- Exia HCX К (1-1). Выходной сигнал 4-20 мA/HART. Цифровой сигнал с датчика поступает на контроллер РСУ, где текущее значение температуры целевого продукта высвечивается, затем сравнивается с введённым туда заданным значением. При наличии рассогласования регулирующее воздействие с контроллера в виде 4-20 мА идет на регулирующий клапан (1-2). В результате изменения подачи теплоносителя будет изменяться и температура молока, пока ее значение не достигнет заданного. Цифровой сигнал с датчика поступает также на вход ПК, где значение температуры может быть распечатано и использовано по назначению (например, для построения графика изменения измеряемой величины во времени). Заданное значение температуры целевого продукта может быть при необходимости изменено с клавиатуры ПК. Погрешность канала измерения составляет 0,5 °С.

Схемы 2-6 выполняются аналогично схеме 1.

Схема 7. Система автоматизированных расчетов (САР) уровня жидкости в емкости. Регулирование уровня молока в емкости (7-1) измеряется интеллектуальными датчиками гидростатического давления (уровня жидкости) Метран-100-ДГ, который измеряет гидростатическое давление столба жидкости и обеспечивает непрерывное преобразование значения этого давления в цифровой сигнал по HARТ-протоколу. Потом сигнал подается на контроллер, где высвечивается величина текущего значения уровня, которая сравнивается с веденным в контроллер заданным значением. При наличии рассогласования регулирующее воздействие с контроллера в виде 4-20 мА идет на регулирующий клапан (7-2), который установлен на трубопроводе входа молока. Цифровой сигнал поступает также на вход в ПК, где величина уровня может быть распечатана и использована по назначению (например, для построения графика изменения этой величины).

Схемы 8, 9 выполняются аналогично схеме 7.

Схема 10. Контроль числа оборотов электродвигателя сепаратора. Тахометр электронный модели ТЭЗ ТУ 4218-078-12150638-2001 предназначен для преобразования сигналов датчиков вращения, индикации измеренного значения угловой или линейной скорости, выдачи выходного сигнала управления 4-20 мА по достижении минимальной и максимальной установки. Соответственно имеются два реле с переключающимися контактами. Тахометр используется при температуре воздуха 10-35 °С, влажности воздуха не более 80 %. Диапазон измерения угловой скорости 1-40000 об/мин. Линейная скорость вращения 0,1-2000 м/мин (V). Погрешность 0,1 % V. Оптоэлектрический датчик оборотов Т2 тахометра электронного ТЭЗ бесконтактный, работает на отражение для измерения угловой скорости. Интерфейс связи с компьютером – RS485. Длина соединительного кабеля между электронным блоком и датчиком – 10 м. Сигнал с тахометра поступает на контроллер, где высвечивается величина текущего  значения параметра, а также поступает также на вход ПК, где величина параметра может быть распечатана и использована по назначению (например, для построения графика изменения этой величины).

Схема 11. САР избыточного давления жидкости в трубопроводе  подачи молока. Изменяя расход молока, добиваемся заданной величины давления молока в трубопроводе. Интеллектуальный датчик избыточного давления Метран-100-ДИ (Модель1162, Код МП 2, Вн; выходной сигнал 4-20 mA/HART; диапазон измеряемых давлений 1,0-20 МПа) преобразует текущее значение давления газа (жидкости) в сигнал 4-20 mA/HART. Цифровой сигнал с датчика поступает на контроллер РСУ APACS+, где текущее значение давления жидкости высвечивается и сравнивается с введённым туда заданным значением 20 МПа. При отклонении измеренного значения давления от заданного контроллер РСУ вырабатывает регулирующее воздействие, которое воздействует на клапан на линии подачи молока. В результате давление жидкости в трубопроводе будет заданным. Цифровой сигнал поступает также на вход ПК, где значение давления может быть распечатано и использовано по назначению (например, для построения графика изменения этой величины). Величина заданного значения  давления в программе контроллера РСУ при необходимости может быть изменена с клавиатуры ПК. Погрешность цифрового канала измерения составляет 0,1 % [43, 44].

Схема 12. Запуск электродвигателя. При нажатии кнопки включения и выключения срабатывает магнитный пускатель. В результате включается в работу электродвигатель.

Схемы 13-19 выполняются аналогично схеме 12. (приложение 6).