Проект автоматизации процессов ферментации и концентрирования кормовых дрожжей

Полученная дрожжевая суспензия  с концентрацией 30 – 35 г/л прессованных дрожжей непрерывно самотеком отводится  из нижней части дрожжерастительного аппарата в сборник дрожжевой суспензии (поз.2), который является буфером между дрожжерастительным аппаратом и сепараторами I группы (поз.3) и II группы (поз.4). Из буфера дрожжевая суспензия подается в сепаратор с помощью насоса М1. В сепараторах I и II руппы под действием центробежных сил происходит сгущение дрожжевой суспензии. Между сепараторами находится промежуточная емкость (поз.5). После сепараторов, суспензия собирается во второй промежуточной емкости, так же являющейся буфером. Из этой емкости суспензия, насосом М2, пройдя подогреватель (поз. 7) закачивается в выпарные батареи (поз.9), где происходит упаривание дрожжевой суспензии под действием нагревания до 85 ⁰С. Выпаривание производится с помощью фурфурольного коненсата. Отработанный конденсат, пройдя через барометрический конденсатор (поз.10) поступает на утилизацию, фурфуролсодержащий конденсат, пройдя через сборник конденсата (поз.6), насосом М3 закачивается на переработку. После выпаривания плотность дрожжевой суспензии возрастает до 1,2 т/м³. Далее, насосом М4, суспензия подается в сборник дрожжевого конденсата (поз. 8), от туда суспензия, насосом М5, подается на сушку. [52, 56, 58]

Ферментационный процесс осуществляется при следующих параметрах:

- температура, ⁰С        36 – 38;

- кислотность среды, рН     4,4;

- продолжительность ферментации, ч   4 – 6;

концентрация:

- биомассы, г/л      0 – 35;

- фосфора, в пересчете на Р₂О₅ , мг/л   11 - 15;

- азота, мг/л       150 – 170.

В процессе биоокисления, кислотность обычно не регулируется, а поддерживается микрофлорой ферментатора.

Параметры работы ферментатора объемом 1300 м³ следующие:

- рабочий объем ферментатора, м³    350 – 400;

- расход ОКЖ, м³/ч      200 – 300;

- дебит, ч-¹         1,4 - 3,0;

- расход воздуха, тыс. м³/ч    20;

- удельный расход воздуха, м³/м³ жидкости  80 – 160.

Перечень контролируемых, регистрируемых и регулируемых параметров технологического процесса приведен в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 — Параметры технологического процесса

Позиция по функциональной схеме	Наименование параметра	Контроль		Регулирование
		показания	регистрация
1	2	3	4	5
1	Регулирование расхода гидролизата в ферментаторе	+	+	+
2	Регулирование расхода чистой культуры в ферментаторе	+	+	+
3	Регулирование расхода  воды в промежуточной емкости	+	+	+
4	Контроль расхода воды аммиачной в ферментаторе	+	+
5	Контроль расхода дрожжевой  суспензии из ферментатора	+	+

 

Продолжение таблицы 2.1

1	2	3	4	5
6	Контроль расхода воды на барометрический конденсатор	+	+
7	Регулирование температуры дрожжевой суспензии на выпарной батарее	+	+	+
8	Регулирование уровня дрожжевой  суспензии в ферментаторе	+	+	+
9	Регулирование температуры  дрожжевой суспензии в ферментаторе	+	+	+
10	Регулирование температуры  конденсата перед утилизацией	+	+	+
11	Регулирование уровня дрожжевой  суспензии в сборнике после сепаратора	+	+	+
12	Регулирование уровня дрожжевой  суспензии в выпарной батарее I	+	+	+
13	Регулирование уровня дрожжевой  суспензии в выпарной батарее II	+	+	+
14	Регулирование уровня конденсата в сборнике конденсата	+	+	+
15	Регулирование давления воздуха от  воздуходувки	+	+	+
16	Контроль уровня дрожжевой  суспензии в сборнике дрожжевого конденсата	+	+
17	Контроль давления на насосе М1	+	+
18	Контроль давления на насосе М2	+	+
19	Контроль давления на насосе М3	+	+
20	Контроль давления на насосе М4	+	+

 

Продолжение таблицы 2.1

1	2	3	4	5
21	Контроль давления на насосе М5	+	+
22	Контроль расхода дрожжевой  суспензии после выпарки	+	+
23	Регулирование кислотности  пены в ферментаторе	+	+

 

Функциональная схема процесса выращивания кормовых дрожжей представлена в графической части (АПП.000001.018 А2).

 

2.1.2 Основные функции  проектируемой системы контроля  и управления

 

Проектируемая система контроля и  управления обеспечивает выполнение следующих функций:

1. управляющие функции, выполняемые автоматически:

Регулирование расхода гидролизата  в ферментаторе, регулирование расхода  чистой культуры в ферментаторе, регулирование  расхода воды в промежуточной  емкости, регулирование температуры  дрожжевой суспензии на выпарной батарее, регулирование уровня дрожжевой суспензии в ферментаторе, регулирование температуры дрожжевой суспензии в ферментаторе, регулирование температуры конденсата перед утилизацией, регулирование уровня дрожжевой суспензии в сборнике после сепаратора, регулирование уровня дрожжевой суспензии в выпарной батарее, регулирование уровня дрожжевой суспензии в выпарной батарее II, регулирование уровня конденсата в сборнике конденсата, регулирование давления воздуха от  воздуходувки, регулирование кислотности пены в ферментаторе.

2) информационные функции, выполняемые  оперативно:

Контроль уровня дрожжевой суспензии  в сборнике дрожжевого конденсата, контроль давления на насосе М1, контроль давления на насосе М2, контроль давления на насосе М3, контроль давления на насосе М4, контроль давления на насосе М5, контроль расхода дрожжевой суспензии после выпарки, контроль расхода воды аммиачной в ферментаторе, контроль расхода дрожжевой суспензии из ферментатора, контроль расхода воды на барометрический конденсатор.

3) функции, выполняемые обслуживающим персоналом АСУ ТП:

- регистрация дефектов, не обнаруженных системой;

- проверка правильности функционирования технических и программных средств АСУ ТП;

- корректировка в регламентируемых пределах динамических настроек и установок.

 

2.1.3 Анализ существующей системы управления

 

В результате анализа объекта автоматизации  выявлены такие недостатки как одноуровневая  структура управления, большие затраты времени на обслуживание средств автоматизации, существенный физический износ оборудования. Так же обнаружена нехватка информации о ходе протекания технологического процесса вследствие недостаточного количества применяемых датчиков. В связи с выявленными недостатками необходимо усовершенствовать имеющуюся систему автоматического контроля и управления, установив технические средства автоматизации, отвечающие современным требованиям.

 

2.1.4 Выводы и задачи проекта

 

В результате анализа объекта автоматизации  выявлены такие проблемы как

нехватка приборов контроля и управления таких технологических параметров, как давление, расход, уровень.

В связи с недостатками системы  необходимо создать более новую систему, отвечающую современным требованиям автоматического контроля и управления.

Задачи проекта:

- организация современной системы управления с применением комплексных технических средств;

- повышение качества управления технологическим процессом за счет внедрения распределенной автоматизированной системы управления процессом (высокая точность и быстродействие);

- выбор современных технических средств контроля с учетом технологических, системных, монтажно-эксплуатационных и экономических факторов;

- выбор информационного, математического и программного обеспечения АСУТП;

- оценка эффективности предлагаемых решений по автоматизации.

 

2.2 Организационная, функциональная и техническая структура АСУТП

2.2.1 Обоснование принятой системы  управления объектом

 

Проектом  предусматривается создание АСУТП  по трёхуровневой схеме управления и контроля технологического процесса с применением ПЭВМ, комплекта дистанционно управляемых модулей сбора, обработки, передачи данных и команд и комплекте датчиков и исполнительных механизмов. Причем система должна выполнять все функции управления и контроля параметров процесса, как в автоматическом, так и в ручном режиме.

Структура системы управления показана на структурной схеме комплекса  технических средств (АПП.000002.018 А1).

Первый уровень новой системы  аналогичен первому уровню существующей, но при этом произведена полная замена всех датчиков и исполнительных механизмов на новые, с унифицированными выходными сигналами.

На втором уровне произведена  установка коммутирующей аппаратуры. Установлен программируемый микроконтроллер ADAM-5511 фирмы Advantech. Программируемый микроконтроллер ADAM-5511 предназначен для использования в локальных и распределенных системах автоматизации в качестве автономного контроллера. Он обеспечивает прием и выдачу аналоговых и дискретных сигналов, первичное преобразование сигналов по запрограммированным пользователем алгоритмам и обмен информацией по последовательным каналам связи на базе интерфейса RS-485, c OPC-сервером по протоколу MODBUS.

К третьему уровню относится  сервер ввода/вывода Fastwel Modbus OPC Server, реализующая функции контроля работы и состояния основного оборудования, функции сбора, обработки и хранения информации о ходе технологического процесса. Клиент сервера TraceMode обеспечивает выдачу управляющего воздействия посредством контроллера на объект управления, вывод информации о состоянии технологических объектов на экран монитора, а также выдачу оператору, рекомендаций по рациональному управлению процессом.

Контроллер ADAM-5511 удачно сочетает в себе качества программируемого логического контроллера с простой и открытой архитектурой IBM PC совместимых компьютеров.

Управление осуществляется через SCADA-систему TraceMode. На базе SCADA-системы разработан программный пакет, с помощью которого оператор может следить за состоянием процесса, переводить систему в ручной и автоматический режим работы.

В данной системе предусмотрены три вида управления:

- супервизорное - управление с помощью рабочей станции оператора;

- автоматическое - управление осуществляется с помощью логического программируемого микроконтроллера на базе SCADA-системы TraceMode;

- ручное - управление насосами из ЩСУ с помощью дублирующих органов управления [59, 65].

 

2.2.2 Обоснование выбора технических средств АСУ ТП

 

При выборе наиболее предпочтительного  варианта технических средств для

системы, учитывают основные требования:

- технологические;

- системные;

- экономические;

- монтажно-эксплуатационные.

 

2.2.2.1 Технологические требования:

 

а) по виду измеряемого параметра:

- приборы температуры — термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом Метран-2700, поз. 7-2, 9-1;

- приборы давления — датчик избыточного давления Метран-150 CG4, поз. 7-1, 15-1, 17-1, 18-1, 19-1, 20-1, 21-1;

- приборы расхода — Расходомер кориолисовый Метран-360, поз. 1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 5-1, 6-1, 22-1;

- приборы уровня — уровнемер радарный Rosemount 5402, поз. 8-1; Rosemount 5401, поз. 8-2, 11-1, 12-1, 13-1, 14-1, 16-1;

- приборы pH-метрии  — pH-метр Кварц-pH/2, поз. 23-1, 23-2;

 б) по величине параметра (например, выбран термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом Метран-2700, у которого диапазон измерений от 0 до + 120 °С),

в) по характеру измеряемой среды —вода, сусло, дрожжевая суспензия;

г) по характеру окружающей среды — внешние воздействующие факторы (климатические — Метран-2700 (поз. 7-2) соответствует климатическому исполнению УХЛ 3.1);

д) по месту установки прибора или отборного устройства;

ж) по размещению объекта (расстояние от мест установки датчиков, преобразователей и исполнительных механизмов до пунктов контроля и управления с учетом прокладки импульсных и командных линий) [49, 55]

 

2.2.2.2 Системные требования