СпиртПриборСервис
Доклад на тему "Автоматизация технологических процессов производства спирта на компьютерной основе"
 
Введение
Современный рынок с неизбежностью требует от производителя продукцию только высшего качества. Применительно к спиртовому производству это значит переход на выпуск спирта сортов «Экстра», «Люкс», «Альфа». В то же время, практически всем производителям спирта ясно, что невозможно добиться стабильного выпуска качественной продукции с одновременной минимизацией потерь без включения в технологический процесс системы автоматизированного управления и контроля.
Что касается разработок ООО «СпиртПриборСервис», то необходимо отметить богатый опыт специалистов фирмы в автоматизации спиртовых установок малой и средней мощности, а также ориентацию фирмы на самые последние мировые новинки в области аппаратного обеспечения и периферийного оборудования. Это обеспечивает нужное качество и надежность систем автоматизированного управления спиртовым производством, а также соответствие разрабатываемых САУ международным стандартам.
Основываясь на международных стандартах в аппаратном и программном обеспечении, а также используя собственный богатый опыт специалисты ООО «СпиртПриборСервис» разработали новое поколение систем автоматизированного управления (САУ). Их основными отличиями от существующих являются:
  • минимальная стоимость;
  • сокращенные сроки изготовления и монтажа (до 3-х месяцев);
  • увеличенный срок гарантии (до 3-х лет);
  • повышенная надежность;
  • простота адаптации к конкретному производству;
  • уменьшенный аппаратный состав;
  • недорогое сервисное обслуживание.
В штатном исполнении система может включать в себя до 1024 каналов контроля, регулирования и управления. Структура системы позволяет быстро перестраивать их количество, исходя из конкретного объекта и пожеланий Заказчика.
Особенностями системы также являются:
  • возможность автоматизированного вывода на рабочий режим колонн БРУ;
  • возможность управления контурами регулирования как с клавиатуры компьютера (автоматизированного рабочего места оператора), так и с панелей интерфейса, расположенных на лицевой стороне шкафа управления;
  • возможность подключения системы и ввод ее в эксплуатацию без остановки технологического процесса БРУ;
  • возможность использования регулирующих клапанов как с пневматическим, так и электрическим приводом.
Включение системы в состав технологического оборудования позволяет добиться существенного повышения качества и стабильности показателей выпускаемой продукции, осуществлять полный контроль за параметрами технологического процесса, сократить количество операторов, одновременно облегчив их работу.
В настоящее время описываемая система смонтирована, прошла успешные испытания и сдана Заказчику на предприятии ОАО «Этанол» г. Ливны Орловской области. С рядом предприятий («Веселолопанский спиртовый завод», «Жирятинский спиртовый завод» «Петропавловский спиртовый завод и др.) заключены договоры на поставку САУ.
Принципы построения системы
Система автоматизированного управления брагоректификацией построена по трехуровневой распределенной схеме с автоматизированным рабочим местом оператора (АРМ). Поддержание параметров в контурах регулирования производится микроконтроллерами, связанными с датчиками и исполнительными механизмами через модули сбора-передачи данных и команд. Управление САУ выполнено на базе программного обеспечения SCADA InTouch-8. Система выполняет все функции управления и контроля параметров процесса производства спирта как в автоматическом (со временем реакции на возмущение менее 0.01 сек), так и в ручном режиме.
В принципе, управление всем технологическим процессом возможно с использованием одного центрального управляющего компьютера, выполненного на базе персонального компьютера РС IВМ. Однако, недостаточная надежность одного компьютера, а также невозможность передачи через компьютерный порт необходимого количества информации с нужной скоростью делает необходимым применение децентрализованного управления отдельными контурами регулирования. В этом случае управление БРУ разбивается на несколько «условно-автономных контуров», например, по числу колонн БРУ плюс несколько контуров общего назначения (например, контур регулирования давления пара в паровом коллекторе). За управление каждым таким контуром отвечает один микроконтроллер. Каждый контур регулирования независим.
Важным отличительным свойством системы, имеющей подобную структуру, является ее автономность (независимость от компьютера АРМ-оператора). Так при отключении управляющего компьютера, не происходит нарушения технологического процесса. Контроллеры автономно и бесконечно долго будут самостоятельно поддерживать последний установленный режим работы спиртовой установки. Кроме того, при желании, режим работы можно изменить вводом новых коэффициентов или уставок с панелей интерфейса. Блок бесперебойного питания позволяет при отключении внешней электросети поддерживать управление в течение 30-40 мин. Этого времени достаточно, чтобы операторы успели переключится на аварийный источник питания либо вывели БРУ на безопасный режим работы.
Верхний уровень системы – АРМ оператора.
В режиме взаимосвязанного управления, совместное управление контроллерами и всей системой в целом осуществляется через персональный компьютер (АРМ оператора). Другими словами, введение соответствующих параметров регулирования (коэффициентов в уравнение ПИД-закона регулирования конкретного контура), а также уставок осуществляется с клавиатуры компьютера. Дополнительно, для удобства оператора, введение уставок возможно и с специальных панелей интерфейсов, устанавливаемых на лицевой стороне шкафа управления. Предусмотрена возможность перевода системы или отдельно взятого контура в любой момент времени на ручной режим управления. При этом ручная коррекция осуществляется без прерывания работы брагоректификационной установки.
Вывод данных о параметрах технологического процесса и о состоянии БРУ производится на экран монитора компьютера и на панели интерфейсов контроллеров. Программа, заложенная в память компьютера, отслеживает и поддерживает параметры технологического процесса в целом, автоматически меняя уставки в управляющих микроконтроллерах отдельных контуров регулирования. Основные трудности в решении данной задачи лежат в задании правильного алгоритма поддержания технологического процесса, который на каждом конкретном производстве имеет свои особенности.

Средний уровень – шкаф управления с комплектом микроконтроллеров и модулей сбора, обработки и вывода информации.

В качестве микроконтроллеров используются недавно появившиеся на российском рынке РС-совместимые контроллеры фирмы ICP DAS серий I-7000 и I-8000 (сертификат ISO 9002,ed. 1994. No T2000-385 от 20.12.00), которые соответствуют требованиям международного сертификата МЭК 61131-3. В частности, контроллеры I-7188 представляют собой аналог известных контроллеров серии ADAM, NuDAM, Fastwell. Это РС-совместимые контроллеры с процессором AMD 80188 – 40МГц, ОЗУ и Flash-диском до 512 кбайт, 4-мя последовательными портами (RS-232\485) со скоростью передачи нформации 300…115200 бод и интерфейсом Ethernet (в максимальной конфигурации). Они работают при температуре от –25 до +70 град.С, потребляют 3 Вт от источника постоянного тока напряжением 10…30 В и содержат DOS-совместимую операционную систему. Программирование этих контроллеров может осуществляться как из-под Windows, с помощью специализированных SoftLogic пакетов и пользовательских программ, написанных на языках высокого уровня (Visual Basic, С++), так и из-под DOS.
Одним из главных преимуществ использования контроллеров I-7188 (помимо низкой цены) является удобство построения распределенной системы ввода\вывода с подключением до 256 модулей по шине RS-485 на расстоянии до 1200 м. В номенклатуре фирмы ICP DAS – более 60 наименований этих модулей, включая:
  • модули аналогового ввода и вывода (термосопротивления, термопары, датчики с токовым выходом, тензодатчики);
  • модули дискретного ввода\вывода;
  • модули таймеров и счетчиков;
  • модули интерфейсов и радиомодемов.

Шкафы управления, выполненные с использованием контроллеров I-7188 весьма компактны и удобны в обслуживании.
Кроме комплекта микроконтроллеров шкаф управления включает в себя модули сбора, обработки, передачи данных и команд, имеющие от 4 до 8 каналов ввода-вывода, а также блоки питания и искрозащиты. Связь с датчиками и исполнительными механизмами осуществляется по экранированным кабелям с использованием токовых выходов и интерфейса RS-485.

Нижний уровень системы – датчики и исполнительные механизмы.

Датчики выполняют функции измерения параметров технологического процесса с последующей их передачей в шкаф управления. Для контроля параметров технологического процесса используются датчики температуры ТСПУ 420, ТСМУ 420 с унифицированным выходным токовым сигналом, датчики давления МТ100, КРТ-5, Сапфир –22, расходомеры электромагнитного типа МР400 (фирма «EESA» Чехия), турбинные преобразователи расхода ТПР, для управления электродвигателями насосов - частотные преобразователи EI-7001 фирмы «Веспер». Измерение уровней в емкостях осуществляется с помощью датчиков давления.
Управление
По желанию Заказчика управление может осуществляться как регулирующими пневмоклапанами с мембранно-исполнительными механизмами, управляемыми электропневмопозиционерами, так и с использованием электрических приводов с шаровыми и прямоходными регулирующими кранами. В последнем случае вся АСУ будет несколько дороже.
В последнее время на российском рынке появилось достаточно предприятий выпускающих качественную запорно-регулирующую арматуру. Среди них можно отметить ОАО «Армагус» (г. Гусь-Хрустальный), ООО «Руст-95» (г. Москва), ООО «ЛГ-Автоматика» (г. Москва) и др.
 
Программное обеспечение.
Управление технологическим процессом осуществляется на основе программного пакета SCADA InTouch-8, соответствующего международному стандарту МЭК 61131-3. Программа управления учитывает все особенности технологического процесса производства спирта и обеспечивает:
  • Поддержание заданных параметров технологического процесса спиртовой установки в определенном допустимом диапазоне;
  • Корректировку параметров технологического процесса в автоматическом и ручном режимах;
  • Вывод на экран значений текущих параметров технологического процесса;
  • Архивацию и просмотр графиков изменения параметров технологического процесса;
  • Просмотр в реальном масштабе времени числовых значений архивных параметров технологического процесса без отключения режима управления;
  • Ввод дополнительных функций управления параметрами технологического процесса, и коэффициентов, характеризующих работу конкретной спиртовой установки без ее остановки;
  • Отработку аварийных режимов.
Программа позволяет, при необходимости, интегрировать режим мониторинга в единую информационную сеть предприятия. Взаимодействие программы с оператором производится с использованием многоконного интерфейса. Интерфейс выполнен максимально удобным для оператора. При этом оператор может иметь минимальный опыт работы с компьютером.
Надежность
Надежность АСУ определяется надежностью базовых программно-аппаратных компонентов. В аппаратной части используются хорошо зарекомендовавшие себя отечественные серийно выпускаемые датчики и исполнительные механизмы со сроками гарантии 1-3 года, выполненные во взрывобезопасном исполнении, имеющие соответствующие сертификаты и запитываемые с использованием искробезопасных цепей.
Надежность компонентов модульной подсистемы обусловлена использованием в качестве базовых компонентов широко применяемых во всем мире, проверенных на множестве реальных объектов модулей корпорации ICР.

В части программного обеспечения показателем надежности является использование программного обеспечения на основе международного стандарта МЭК 61131-3 и SCADA-систем, а также широко применяемых во всем мире операционных систем реального времени для программирования контроллеров.
Немаловажным фактором в надежной работе САУ является ее гарантированное сервисное обслуживание, осуществляемое разработчиком в течение всего периода функционирования системы на предприятии.
Конструктивное исполнение
Конструктивно САУ выполнена как распределено модульная система. АРМ, как правило, устанавливается в комнате операторов-технологов. Там же устанавливается и шкаф управления. В шкафу размешаются, помимо модулей управления, блоки питания, барьеры искрозащиты, электрические автоматы. Крепеж всех элементов в шкафу производится на DIN-профили, что позволяет производить максимально быструю замену любого элемента без демонтажа кабельных соединений. Кабельные соединения осуществляются с применением пружинных клемм фирмы «Wago».
Монтаж датчиков давления, температуры и уровня производится в предусмотренные для этой цели специальные штатные или дополнительно ввариваемые штуцера. Электропневмопозиционеры устанавливаются непосредственно на запорно-регулирующие клапаны. Вся кабельная разводка выполняется в трубах, гибких металлорукавах и металлических коробах кабельных каналов.

Внедрение

В настоящее время закончен монтаж и осуществлен запуск САУ на установке брагоректификации ОАО «Этанол» г.Ливны Орловской обл. Готовится к запуску САУ на пятитиколонной БРУ Веселолопанского спиртового завода.
При отработке системы управления основной задачей являлось получение спирта со стабильными характеристиками и качеством, превышающим качество спирта до внедрения автоматизированной системы управления.. Эта задача была успешно решена путем точного задания рабочих параметров БРУ и их стабилизации в узких пределах. Весьма важным результатом явилось поддержание температуры на 16 тарелке спиртовой колонны с точностью плюс-минус 0,25°С.

Переход с пневмоавтоматики на новую компьютерную систему автоматического управления выявил следующие ее преимущества:
1. Пуско-наладка компьютерной системы производилась без остановки основного производства и без снижения производительности спиртовой установки;
2. В одном помещении, на одном рабочем месте собрана вся информация о работе спиртовой установки и сосредоточены все органы управления основными параметрами технологического процесса;
3. У начальника цеха появилась возможность, не прерывая процесс управления, просматривать результаты предыдущей смены и объективно оценивать ее работу;
4. Существенно облегчена работа операторов:
  • отпала необходимость тщательно следить за уровнем давления верха и низа четырех колонн по стеклянным водяным манометрам;
  • исключена операция ручного регулирования расхода воды через дефлегматор и конденсатор эпюрационной колонны;
  • исключена операция ручного корректирования расхода бражки вращением вентилей;
  • исключена необходимость постоянного визуального отслеживания уровней в баках повторной и холодной воды;

5. Исключен слив химочищенной воды в канализацию, благодаря своевременному напоминанию операторам котельной о переполнении бака;
6. Появилась возможность наглядного обучения операторов воспроизведения и разбора ошибок предыдущих смен;
7. Облегчено обнаружение неисправно работающих узлов спиртовой установки. Например, по графику давления пара в коллекторе обнаружен неисправно работающий клапан парового коллектора, а по температуре выходной воды – засорившийся и требующий промывки дефлегматор бражной колонны;
8. Появилась возможность запоминания режимов удачной работы установки, обеспечивающих получение качественного спирта и их последующего автоматического воспроизведения;
9. Исключено влияние уровня бражки в передаточной емкости на расход бражки, благодаря стабилизации расхода с применением контура регулирования на частотном преобразователе;
10. Обеспечена возможность в течение получаса управлять работой спиртовой установки при отключенном электропитании 220 в для вывода ее на безопасный режим;
11.Сохранены и используются в процессе управления ранее установленные пневмоклапаны на подаче пара в колонны, что существенно снизило стоимость всей системы автоматизации в целом;

В результате внедрения АСУ нового поколения на ОАО «Этанол» удалось добиться стабильного выпуска высококачественного спирта, сократить потери энергоресурсов, облегчить работу персонала и подготовить базу для автоматизации всего производства в целом. В частности, результаты, полученные в период пуско-наладочных работ, позволили руководству предприятия реконструировать теплообменные узлы, с целью устранения возмущений, вносимых в работу спиртовой колонны при изменении расхода бражки. В то же время, программа управления технологическим процессом позволяет быстро разрабатывать и на практике реализовывать математические модели взаимосвязанного управления различными стадиями технологического процесса, а также рассчитывать и вводить дополнительные коэффициенты, определяющие эффективность производства.

Дополнительная информация

САУ БРУ изготавливается на основе проекта, выполняемого, как правило, отраслевым проектным институтом «Гипропищемаш-2». Проект в обязательном порядке проходит экспертизу Гостехнадзора на соответствие правилам промышленной безопасности. Стоимость проекта и экспертизы входит в сумму договора.
Изготавливаемое оборудование передается Заказчику «под ключ», с выполнением полного цикла пуско-наладочных работ. Средние сроки выполнения заказа на создание, монтаж и пуско-наладку САУ составляют 3 месяца. Стоимость системы в основном определяется стоимостью запорно-регулирующей арматуры.
Вся выпускаемая ООО «СпиртПриборСервис» техника является достаточно сложной и требует специального обслуживания в процессе эксплуатации. Одним из решений данной задачи является обучение и практическая подготовка специалистов «на местах». Еще в процессе изготовления заказа предприятие-заказчик направляет своих специалистов для знакомства с изделием, с его особенностями, которые могут выявиться в процессе эксплуатации. Практическая же подготовка проходит при производстве пуско-наладочных работ. Инженерно-технический персонал Заказчика под руководством специалистов ООО «СпиртПриборСервис» проходит курс обучения с выдачей, если это требуется, соответствующих удостоверений, дающих право обслуживать и ремонтировать поставленное оборудование.
На все изготавливаемое оборудование дается гарантия 3 года.

Москва
26.12.2003 г.


Доклад был сделан Генеральным директором ООО "СпиртПриборСервис" к.т.н. Сергеевым В.И. на московском научно-практическом семинаре специалистов спиртовой отрасли на тему "Современные тенденции развития технологии и аппаратурного оформления процессов ректификации в спиртовом производстве. Пути повышения качества и увеличения выхода ректификованного спирта".

тел./факс (495) 502-92-93
Copyright © 2001-2007 "СпиртПриборСервис"