Ректификация / Система автоматического управления и регулирования технологическими процессом брагоректификации

Система автоматического управления и регулирования технологическими процессом брагоректификации

Кириллов Е.А., ЗАО "РТСофт", Москва, "Промышленные контроллеры и АСУ", N 1, 2001

Технологический процесс брагоректификации, это заключительная и наиболее ответственная стадия получения конечного продукта - спирта. Качество получения спирта во многом зависит от точности поддержания технологических режимов работы брагоректификационной установки. В традиционных системах мониторинг параметров технологического процесса и управления им возлагается на дежурного оператора, который обеспечивает отслеживание текущих параметров и поддержание их в рамках заданного технологического регламента.

Производство спирта процесс непрерывный и круглосуточный, оператору необходимо постоянно в течение всей своей смены отслеживать показания контрольных приборов по измерению температуры и давления, управлять соответствующими вентилями для поддержания производственного процесса в заданных технологических нормах. Здесь мы как раз и сталкиваемся с человеческим фактором на производстве. Учитывая то, что измерительные и исполнительные устройства распределены по всему цеху брагоректификации, оператору в течение всей смены приходится постоянно двигаться по цеховой территории. Характер работы вызывает физическую усталость, уменьшение внимания и провоцирует оператора на достаточно "прохладное" отношение к своим рабочим обязанностям (особенно в ночные смены, когда слабеет контроль со стороны администрации завода), а это непосредственно отражается на качестве выпускаемого продукта. Административные методы контроля не приносят, как правило, положительного результата, изобретательность рабочего персонала позволяет достаточно просто обходить административные "рогатки" в виде регистрационных журналов, плановых и внеплановых проверок и т.п.

Единственным выходом из создавшегося положения - автоматический мониторинг параметров технологического процесса с ведением соответствующих журналов параметров, объективность которых не зависит от человеческого фактора. Естественным продолжением автоматического мониторинга является использование полученных данных для введения контуров автоматического управления и регулирования технологического процесса.

Специалистами ЗАО "РТСофт" и НТА "Спиртпром" была предпринята попытка, и надо сказать, что она была успешной, разработки типовой автоматизированной системы управления и мониторинга технологического процесса брагоректификации. Заказчиком данной работы выступал ОАО "Брянскспирт".

Краткая характеристика технологического процесса

Обычно для производства спирта используется брагоректификационная установка, состоящая как операционные колонны:

бражную;

эпюрационную;

ректификационную.

Стабильность работы установки брагоректификации, постоянство параметров и как следствие качество конечного продукта этилового спирта, определяются соответствием технологических параметров каждой из колонн, входящих в состав установки, технологическому регламенту. Изменение режима работы любой из колонн, по тем или иным причинам (технологическим, в результате внешних воздействий и т.д.) неизбежно приводит к изменению режима работы установки в целом, поскольку ТП брагоректификации - процесс непрерывный и последовательный. Задачу автоматизации ТП брагоректефикации можно разбить на две составляющие и сформулировать следующим образом:

поддержание заданных параметров установки в определенном допусковом диапазоне и корректировка поддерживаемых параметров установки в зависимости от значений входных технологических параметров;

поддержание баланса материальных потоков.

При разработке проекта САУР БРУ, на данном этапе, задача по поддержанию баланса материальных потоков не рассматривалась в силу ряда причин, связанных с экономическими показателями, пожеланиями Заказчика и рядом других. В дальнейшем планируется провести и эти работы.

При разработке проекта САУР БРУ, на данном этапе, задача по поддержанию баланса материальных потоков не рассматривалась в силу ряда причин, связанных с экономическими показателями, пожеланиями Заказчика и рядом других. В дальнейшем планируется провести и эти работы.

Функциональная схема установки брагоректификации, состоящая из бражной колонны (4), эпюрационной колонны (9) и ректификационной колонны (11), с автоматизированной системой управления изображена на рисунке 1. САУР БРУ построена по принципу локальных контуров регулирования, обеспечивающих поддержание требуемых значений технологических параметров в определенных точках установки и реализует следующие функции:

поддержание постоянных давлений внизу бражной и ректификационной колонн с коррекцией их по температурам в контрольных точках колонн;

поддержание постоянных давлений вверху колонн и регламентных значений температур воды на выходах из дефлегматоров колонн;

поддержание постоянной температуры на тарелке питания ректификационной колонны;

контроль и управление контуром подачи бражки в бражную колонну;

отработка аварийных ситуаций.

Рис.1 Функциональная схема установки брагоректификации

Постоянство режима работы бражной колонны достигается поддержанием постоянных значений давления внизу бражной колонны и температуры отходящей воды из дефлегматора колонны контурами регулирования, реализованными в данной системе.

Стабильность работы эпюрационной колонны определяется постоянством потоков, поступающих с бражной колонны и постоянством перепада давлений между низом и верхом колонны.

Стабилизация режимов работы ректификационной колонны достигается за счет поддержания постоянных: давления внизу колонны; изменением количества питающего пара; давления вверху колонны и температуры отходящей воды из дефлегматора колонны; температуры на тарелке питания колонны, поддерживаемой за счет изменения величины отбора спирта.

Принципы построения системы

САУР-БРУ построена как распределенная трехуровневая, иерархическая автоматизированная система управления:

1-ый уровень - датчики и исполнительные механизмы;

2-й уровень - программируемый логический контроллер (подсистема управления), усилители и искрозащитные барьеры (электротехническая подсистема);

3-й уровень - рабочая станция оператора (АРМ оператора).

Структурная схема САУР-БР представлена на рисунке 2.

В состав САУР-БР входят следующие подсистемы:

подсистема управления;

электротехническая подсистема;

подсистема датчиков и исполнительных механизмов;

подсистема электропитания;

автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора.

Специфика задачи поставленной перед ЗАО "РТСофт" заключалась в том, что специалисты Творишинского спиртового завода не знакомы с современными средствами автоматизации, полностью отсутствует опыт работы с вычислительной техникой. С другой стороны технологический процесс брагоректификации на заводе отлажен, качество выпускаемого спирта отменное. Необходимо было получить в лице специалистов завода не противников, а союзников при внедрении системы автоматизации. Поэтому было принято решение не изменять принятую на предприятии технологию брагоректификации, а использовать ее как базовую, дополнив существующие измерительные приборы параллельно работающими датчиками и установив соответствующие исполнительные механизмы.

Заложенные в проект принципы и решения позволяют легко вводить дополнительные датчики и исполнительные механизмы, адаптируя систему под требования конкретного заказчика и специфику его производства.

Система открыта для дальнейшей модернизации и наращивания

Все технические решения, используемые при разработке САУР БРУ, основаны на использовании открытых международных стандартов:

техническое решение по контролю и управлению системой опирается на возможности логического контроллера SMART I/O фирмы PEP Modular Computers,

прикладное программное обеспечение создано на базе многозадачной операционной системы реального времени OS-9, современного инструментального пакета программирования ISaGRAF (МЭК1131-3) и SCADA-системы - InTouch фирмы Wonderware;

в основе сетевых решений лежит промышленная сеть PROFIBUS;

связь между подсистемой управления и SCADA-системой осуществляется по протоколу Modbus.

Функции выполняемые САУР БРУ

Функции, выполняемые САУР БРУ можно разделить на функции, выполняемые контроллерной подсистемой управления и функции АРМ оператора.

Контроллерная подсистема управления САУР БРУ выполняет следующий набор функций:

контроль работоспособности оборудования;

прием и первичная обработка сигналов с датчиков давления, температуры и уровня, контроль на достоверность измеренных значений, допусковый контроль;

исполнение в реальном времени рабочих алгоритмов управления и алгоритмов аварийных ситуаций, выработка соответствующих управляющих воздействий на исполнительные механизмы

передачу диагностической информации, значение датчиков и исполнительных механизмов на АРМ оператора, прием от АРМ оператора уставок и сигналов управления исполнительными механизмами в "ручном" режиме работы;

управление предупредительной и аварийной звуковой сигнализацией;

поддержка промышленной сети для автоматизации подготовительных и вспомогательных участков производства и создания распределенной системы управления производством всего завода.

Функции АРМ оператора:

взаимодействие с контроллерной подсистемой управления;

обеспечение дружелюбного интерфейса между АРМ и оператором;

обеспечение входа в систему по паролям и разграничение уровня доступа к ресурсам в зависимости от полномочий оператора (дежурный оператор, технолог, системный программист);

отображение информации о работе установки;

отображение диагностической информации о состоянии составных частей изделия и линий связи;

архивирование данных о параметрах работы установки;

ведение протокола нарушений и технологического журнала;

ведение протокола работы системы и действий оператора;

непосредственное управление оператором работой установки в "ручном" режиме управления.

Технические и программные средства

Подсистема управления построена на основе программируемых логических контроллеров SMART I/O фирмы РЕР Modular Computers (Германия). Программируемый контроллер SMART I/O, имеет внутреннюю расширяемую шину, к которой подключаются модули ввода-вывода. Количество устанавливаемых модулей ввода-вывода определяется исходя из количества входных датчиков и объектов регулирования.

Подсистема имеет стандартный интерфейс MODBUS, который обеспечивает информационный обмен с АРМом оператора для визуализации и управления технологическим процессом и интерфейс промышленной сети PROFIBUS, резервируемый для дальнейшего расширения системы.

Контроллеры работают под управлением встроенной многозадачной операционной системы реального времени OS-9.

Технические характеристики используемых контроллеров и модулей ввода/вывода представлены в Таблице 1, внешний вид контроллера приведен на рисунке 3, внешний вид подсистемы управления на рисунке 4.

Таблица 1

Прикладное программное обеспечение подсистемы управления может работать без связи с рабочим местом оператора. Таким образом, при выключении АРМа оператора не происходит нарушения технологического процесса.

Электротехническая подсистема включает в свой состав искрозащитные барьеры, усилители управления исполнительными механизмами, источники питания для датчиков.

Подсистема датчиков и исполнительных механизмов включает в свой состав:

датчики давления типа Сапфир -22М-Ех;

датчики температуры типа ТСП -100;

датчик уровня типа САУ-6М;

регулирующие клапаны - шаровые краны (КШ) с электроприводом МЭО во взрывозащищенном исполнении.

Для управления потоками принято решение использовать регулирующие клапаны с электрическим, а не пневматическим управлением, внешний вид используемых управляемых вентилей представлен на рисунке 5.

Отказ от пневматического управления позволяет существенно повысить надежность системы, отказаться от компрессорной станции в составе системы и упростить соединение подсистемы управления с исполнительными механизмами.

Надежность технических средств

Надежность САУР БР определяется надежностью базовых программно-аппаратных компонентов. В аппаратной части используются хорошо зарекомендовавшие себя компоненты, серийно выпускаемые известными производителями, сертифицированные по международному стандарту качества ISO 9001, средняя наработка на отказ не менее 100 000 часов.

Базовые компоненты, используемые для построения "САУР БРУ" имеют сертификат Госстандарта России и занесены в Государственный реестр под 15717-96, а также разрешение Гостехнадзора России под РРС 02-1708, разрешающее применение контроллеров в системах управления на взрывопожароопасных объектах.

Надежность программного обеспечения обусловлена использованием в качестве базовых компонентов широко применяемых во всем мире, проверенных в работе на множестве реальных объектов операционной системы OS9, программного пакета ISaGRAF и SCADA - InTouch.

Конструктивное исполнение

Подсистемы "САУР БР" размещаются в двух индустриальных шкафах фирмы RITTAL (Германия).

Крепеж всех элементов в шкафу производится на DIN-профили, что позволяет производить максимально быструю замену любого блока или модуля без демонтажа кабельных соединений.

Прокладка проводников в кабельных каналах не только улучшает внешний вид изделия, но и значительно облегчает ремонт и обслуживание.

Для соединения с внешней средой применяются пружинные клеммы фирмы WAGO, которые позволяют:

повысить скорость монтажа аппаратуры на объекте в 2-3 раза по сравнению с винтовыми клеммами;

отказаться от облуживания или обжима наконечником многожильных проводников;

обеспечить высокую надежность соединения не зависящую от квалификации монтажника;

полностью отказаться от обслуживания клемм.

Внешний вид используемых клеммных соединений показан на рисунке 6.

АРМ оператора

Автоматизированное рабочее место оператора-технолога АСУ ТПБР предназначено для обеспечения оперативного технологического персонала достаточной информацией о протекании процесса ректификации и создания условий для поддержания качества целевого продукта.

Программное обеспечение АРМ обеспечивает:

представление на экране монитора мнемосхемы установки с текущими значениями технологических параметров.

допусковый контроль выхода значений за предупредительные и аварийные диапазоны.

визуальную (на экране) предупредительную и аварийную сигнализацию.

вывод на экран и просмотр архивных графиков.

просмотр протоколов нарушений.

контроль прав доступа к сервисным функциям системы.

анализ состояния программно-технических средств и коммуникационных каналов.

В качестве АРМ оператора в САУР БРУ применяется ЭВМ типа РС работающая под управлением операционной системы Windows NT, что позволяет в дальнейшем, при необходимости, интегрировать АРМ оператора в единую информационную сеть предприятия.

Взаимодействие системы с оператором производится в диалоговом режиме с использованием многооконного интерфейса. Каждое окно предназначено для вывода специализированной информации.

Основное окно - предназначено для вывода общих технологических параметров и аварий. В данном окне отображена технологическая схема работы САУР БРУ, основные параметры работы системы и аварийные состояния работы установки. Из этого окна происходит вызов остальных окон просмотра, а также выход из программы. Внешний вид окна представлен на рисунке 7.

Окно списка аварий - предназначено для отображения всех произошедших аварий и событий. Вид данного окна показан на рисунке 8.

Окно активных аварий - предназначено для отображения всех активных аварий и предупреждений. Вид данного окна показан на рисунке 9.

Окно архивных параметров - предназначено для отображения архивной информации (все параметры хранятся и отображаются в виде графиков). Параметры отображения разбиты функционально, по отношению к колонне, на три части.

Для бражной колонны: давление внизу колонны, давление вверху колонны температура внизу колонны, температура вверху колонны, температура бражки, степень открытия исполнительных механизмов.

Для эпюрационной колонны: давление внизу колонны, давление вверху колонны, температура внизу колонны, температура вверху колонны, степень открытия исполнительных механизмов.

Для ректификационной колонны: давление внизу колонны, давление вверху колонны, температура внизу колонны, температура вверху колонны, температура тарелки питания, степень открытия исполнительных механизмов.

Вид данного окна показан на рисунке 10.

Вход в систему осуществляется с использованием соответствующего окна, через систему паролей с разграничением уровня полномочий пользователя.

Рис.10.

Заключение

Система САУР БРУ успешно прошла стендовые испытания в ЗАО "РТСофт", был разработан комплект конструкторской документации.

В апреле этого года система была установлена на Творишинском спиртовом заводе, причем пусковые работы были проведены всего за двое суток. Во время пусковых работ проводилось обучение персонала.

Система позволила в плановом порядке получать спирт заданного качества и сократить расход потребление ресурсов (вода, пар) на 10-15%

В это же время в Брянске проводился семинар производителей спирта, участники которой высоко оценили работу данной системы и рекомендовали её как типовую для ТП брагоректификации.

Авторы надеются, что данная статья будет полезна специалистам, работающим в области производства спирта и д.р. областей пищевой промышленности.