Разработка системы автоматического контроля и регулирования производства спирта

В условиях становления и развития рыночных отношений экономика нашей страны переживает значительные трудности. Кризис производства, ухудшение финансового состояния предприятий, низкий технологический уровень в гражданских отраслях промышленности и снижение инвестиционной активности обусловили сокращение производства многих видов продукции, что не обошло стороной и сферу производства продовольственных товаров. Так за 1998 г. производство в этой области сократилось в целом на 19%, что обусловлено снижением валовой продукции сельского хозяйства и, в некоторых случаях, более низким качеством отечественной продукции по сравнению с импортными аналогами

Таким образом, расширение выпуска высокоэффективной продукции является важнейшим показателем успешной перестройки экономики, перевода ее на более высокий технический и технологический уровень, перехода экономики к ресурсосберегающему типу производства

Однако, прогрессивные структурные сдвиги в промышленности, развитие высоких и ресурсосберегающих технологий, перспективных производств в значительной мере сдерживаются исторически сложившейся высокой степенью концентрации и монополизации производства. В этих условиях у крупных предприятий, занимающих монопольное положение, не создается необходимых экономических стимулов для перестройки производства, обновления продукции и снижения издержек производства. В настоящее время в нашей стране на крупных предприятиях производится около трех четвертей продукции, что значительно выше, чем в промышленно развитых странах. Принимая во внимание все выше сказанное, становится ясным, что немаловажную роль в выводе экономики страны из кризисной ситуации может сыграть развитие малого производства и увеличение его доли в структуре промышленности И, как уже отмечалось, в этой связи первоочередное внимание необходимо уделить возможностям повышения качества производственного процесса, снижению издержек производства, развитию технологий и производств, отвечающих современному уровню научно-технического прогресса. Примером этого может служить внедрение автоматических производственных линий, систем автоматического контроля, регулирования и управления производственным процессом.

Темой настоящего дипломного проекта является разработка системы автоматического контроля и регулирования производства спирта на миниспиртзаводе, технологическая схема которого аналогична проекту миниспиртзавода производительностью 63 дал в сутки из крахмалсодержащего сырья (зерна) на промплощадке цеха товаров народного потребления АО «БрАЗ» .

Разработка и внедрение системы автоматического контроля и регулирования имеет своей целью повышение качества производственного процесса и снижение издержек производства, т. е. конечным результатом внедрения системы в работу должно явиться увеличение прибыльности автоматизируемого производства.

В дипломном проекте проводится разработка структуры системы автоматического регулирования и контроля производства спирта, выбор и настройка необходимого для реализации проекта технического оборудования. Ввиду малых объемов производимой продукции, относительной простоты технологической схемы по сравнению с традиционными спиртзаводами, автоматизация процесса управления не предусматривается.

1 Технологический процесс производства спирта на миниспиртзаводе

1.1 Теоретические основы процесса

Этиловый спирт — бесцветная, легко подвижная жидкость со жгучим вкусом и характерным запахом, температура плавления — 114.15 °С, температура кипения +78.39 °С, плотность при 15 °C — 793.56 кг/м³

Спирт питьевой может быть получен только при брожении крахмалсодержащего сырья зерновых культур или картофеля.

Таблица 1.1 — Среднее содержание крахмала и выход этилового спирта

из 1 т. сырья

Теоретический выход этилового спирта определяется из уравнения реакции спиртового брожения: C₆H₁₂O₆ 2C₂H₅OH + 2CO₂, и составляет 511 кг на 1 т. условного крахмала, или 644 литра абсолютно безвредного спирта. Практический выход этилового спирта на 1 т. условного крахмала составляет, как правило, 91.5% от теоретически возможного. Полисахариды крахмала состоят из амилозы и амилопектина со средней степенью полимеризации 200−6000 единиц остатков Д-глюкозы и мальтозы. В силу этого процесс получения этилового спирта состоит из следующих стадий:

1). Разрушение крахмала и его превращение в моносахара: глюкозу и мальтозу;

2). Сбраживание сахаров с образованием раствора этилового спирта в воде;

3). Укрепление и очистка этилового спирта;

Спирт пищевой ректифицированный должен изготавливаться из пищевого (крахмал и сахаросодержащего) сырья и по своим органолептическим и физико-химическим показателям соответствовать требованиям ГОСТа 5962−67.

Таблица 12 — Физико-химический состав спирта этилового, ректифицированного из пищевого сырья

1.2 Практическая реализация процесса

Технологический процесс получения этилового спирта из зерна пшеницы реализован в шести последовательных технологических стадиях:

1). Разваривание сырья;

2). Приготовление солода и солодового молока;

3). Осахаривание разваренного сырья;

4). Приготовление дрожжей для сбраживания сырья;

5). Сбраживание полученных сахаров;

6). Укрепление и очистка полученного спирта;

7). Подача готовой продукции в спиртохранилище;

Рассмотрим подробно вышеуказанные операции:

1) Разваривание крахмалсодержащего сырья

Так как крахмал зерновых культур и картофеля заключен в оболочку из пектиновых веществ, то для его освобождения необходимо эту оболочку разрушить. Такое разрушение достигается под действием высоких температур при разваривании сырья в течение 40−60 минут. Для этой цели служит специальный аппарат, рассчитанный на давление до 10 атм.- разварник. Зерно загружают в разварник, добавляют туда горячую воду из расчета 2,5−2,7 литра воды на 1 кг зерна и подают туда острый пар при температуре 140−150 °С и давлении 4,5−5,0 атмосферы. Масса разваривается при этой температуре 40−60 минут с 2−3 кратной циркуляцией пара для перемешивания сырья.

Процесс разваривания сырья значительно сокращается по времени, если зерно предварительно измельчено на металлических мельницах.

2) Приготовление солода и солодового молока.

Так как крахмал представляет собой полисахарид, то для получения раствора сахаров необходимо провести расщепление полисахарида. Этот процесс происходит под действием ферментов, которые образуются в зерне при его проращивании в течение 8−10 суток. Для быстрого и полного расщепления амилозы, амилопектина и декстринов необходимы ферменты трех типов, которые имеются в различных зерновых культурах. В силу этого наилучший солод получается из зерна состава: 3 части ячменя, 1 часть овса, 1 часть ржи (проса).

Сам процесс получения солода и солодового молока заключается в следующемКоличество зерна необходимого состава ежедневно помещают в замочный чан, наполненный на треть водой при температуре 15−20 °С. Отмывают зерно от грязи и от легких примесей набирая воду и сливая ее вместе с половой в канализацию. После этого замачивают зерно аэрированной (насыщенной воздухом) водой с выдержкой 3−4 часа, затем воду сливают и дают зерну «подышать» без воды 2−3 часа. После первой замочки зерно дезинфицируют хлорной известью из расчета 60−80 грамм на 200 кг зерна, добавляя ее в воду замочного чана и выдерживая зерно 3−4 часа. Затем хорошо отмывают зерно под водой и продолжают замачивание, повторяя циклы замочки с выдержкой зерна на воздухе. Общее время замочки зерна 20−24 часа. За это время зерно должно набрать определенную влажность и способность к прорастанию. Замоченное зерно выгружают в ящик солодовки слоем высотой не более 50−60 см. Проращивание зерна ведется 8−10 суток при температуре 20−22 °С с периодом ворошения его один раз в сутки для исключения «возгорания» зерна. Через 8−10 суток зерно прорастает с образованием ростков. Этот зеленый солод подается в чан, в который добавляется вода и формалин для дезинфекции (на 200 кг зерна требуется 200 литров воды и 1,8 литра формалина), выдерживается в течение 1 часа, далее отмывается от формалина и подается на дробление. После дробления солод подается в чан для приготовления солодового молока из расчета 10 кг солода плюс 30 литров воды. Тщательно перемешанное солодовое молоко при температуре 20 °C готово к употреблению.

3) Осахаривание разваренного крахмалсодержащего сырья.

Процесс осахаривания разваренного сырья заключается в превращении крахмала под действием ферментов солода в сахара — глюкозу и мальтозу.

После разваривания массу выпускают через выдувное отверстие разварника в осахариватель; при этом происходит перепад давления от 4−5 атмосфер до нормального, вследствие чего оболочки клеток зерна разрываются и сырье превращается в однородную жидкую массу. В осахаривателе зерно охлаждается путем подачи холодной воды в змеевик осахаривателя и тщательно перемешивается механической мешалкой. При достижении массой в осахаривателе температуры 60−65 °С в него подается расчетное количество солодового молока из чана. Процесс осахаривания длится 20 минут и контролируется по исчезновению крахмала в массе (через 20 минут разваренная и осахаренная масса на дает синего окрашивания с раствором йода). После осахаривания продолжают охлаждение массы, добавляют в осахариватель по мере надобности воды для доведения концентрации сахаров до 16−18 об. процента. Полученную массу (сусло) охлаждают до 22−26 °С, вводят туда определенное количество дрожжей и перекачивают в бродильный чан на брожение.

4) Приготовление дрожжей для сбраживания сусла.

Для превращения раствора сахаров в этиловый спирт используют специальные микроорганизмы различных типов, называемые общим словом дрожжи. В настоящее время для эффективного сбраживания применяются дрожжи типа Sackarademiya 12 расы. Для размножения дрожжей служат специальные аппараты — дрожжанки, снабженные холодильниками и паровиками. В дрожжанку 1 набирают сусло (раствор сахаров с концентрацией 16−18%) из осахаривателя при температуре около 60 °C. Нагревают его, пропуская пар в змеевик дрожжанки, до 70 °C и выдерживают при этой температуре 20 минут для пастеризации. Затем сусло охлаждают до 50 °C, подавая холодную воду в змеевик и подкрепляют серной или молочной кислотой до pH = 3.8−4.0 для подавления посторонней микрофлоры. После перемешивания и охлаждения сусла до 30 °C вносят засевные дрожжи из расчета 15 литров готовых дрожжей на 150 литров сусла. После дальнейшего охлаждения до 22−26°С оставляют дрожжи на размножение, поддерживая температуру в дрожжанке не выше 30 °C. Процесс приготовления дрожжей длится 20−24 часа, и дрожжи считаются готовыми при достижении отброда, равной одной трети первоначальной концентрации сусла, то есть 5−6 процентов сахаров при первоначальной концентрации сахаров в сусле 16−18%. Из дрожжанки 1 берут 15 литров готовых дрожжей, помещают в дрожжанку 2 и процесс повторяют на тех же условиях. Наличие двух дрожжанок обеспечивает бесперебойное снабжение дрожжами весь процесс производства этилового спирта (из одной дрожжанки забирают готовые дрожжи на брожение, в другой они готовятся).

5) Сбраживание сусла.

Сбраживание сусла под действием дрожжей — процесс экзотермический (протекает с выделением тепла), поэтому бродильные чаны снабжены охлаждающими змеевиками и температура в бродильном чане не должна превышать 29−30°С. Длительность брожения с получением максимального количества спирта определяется температурой процесса, концентрацией сахаров в сусле, концентрацией дрожжей в сусле. Выполненные кинетические исследования показывают, что процесс сбраживания сахаров при их концентрации в сусле 16−18% с добавлением 10% готовых дрожжей протекает за 48 часов с выходом 94−95% при температуре 30 °C. Окончание процесса брожения устанавливают либо по количеству образовавшегося спирта (его концентрация в сусле должна быть 8−9%), либо по количеству остаточных сахаров, содержание которых должно быть не более 0.5%. Зрелую бражку с содержанием в ней спирта 8−9% направляют на перегонку, а освободившийся вновь чан заполняют суслом и процесс сбраживания повторяют.

6) Укрепление и очистка этилового спирта Для извлечения этилового спирт из бражки, его укрепления и очистки служат ректификационные колонны. Ректификационный узел состоит, как правило, из двух и более колонн. На первой — бражной колонне из бражки отгоняется этиловый спирт и летучие примеси, те головная фракция При этом крепость получаемого спирта-сырца должна быть не ниже 86−88 об. %. На второй — эпюрационной колонне из головной фракции посредством ее повторной перегонки получают спирт с меньшим содержанием примесей На третьей — спиртовой колонне очищают спирт от лютера и сивушного масла и получают спирт-ректификат высшей очистки с содержанием основного вещества не ниже 96.2%.

Готовый продукт по выходу из колонны и охлаждении в дефлегматоре через мерник поступает в спиртохранилище или в отдельную тару.

Список основных элементов технологической схемы миниспиртзавода приведен в табл. 13

Таблица 13

2. Постановка задачи контроля и регулирования параметров технологического процесса

2.1 Контролируемые параметры

В целях обеспечения оптимального течения производственного процесса необходимо своевременно получать информацию о значениях текущих параметров и одновременно иметь возможность сравнивать их с требуемыми значениями параметров технологического процесса Необходимо обеспечить оперативный вывод информации о текущем состоянии любого требуемого параметра, его отклонении от оптимального установленного и о самом оптимальном значении этого параметра.

Список контролируемых параметров с указанием точки замера на технологической схеме, диапазона и номинального значения представлен в виде табл. 2.1

Таблица 21 — Точки замера и контроля основных параметров технологической схемы миниспиртзавода. (Температура приведена в градусах Цельсия, давление указано избыточное)

2.2 Регулируемые параметры

Для обеспечения качественного прохождения процесса ректификации спирта на ректификационных колоннах необходимо поддержание строго заданной температуры в нижних частях бражной, эпюрационной и спиртовой колонн.

Список параметров технологического процесса, нуждающихся в регулировании, с указанием диапазона изменения, номинального значения и точки измерения на технологической схеме приведен в табл. 22

Таблица 22

Температурный режим процесса ректификации задается величиной давления горячего пара, поступающего отдельно на вход каждой из вышеперечисленных колонн. Пар поступает из котельной, расположенной за пределами мини-спирт завода. Требуемую точность поддержания заданных температур необходимо обеспечить их автоматическим регулированием, путем автоматического изменения давления горячего пара на входе в соответствующую ректификационную колонну.

3. Выбор технического обеспечения

Для успешного решения поставленной задачи — организации системы автоматического контроля и регулирования технологических параметров производства спирта необходимо выбрать отдельные составляющие системы на основе анализа и сопоставления как можно более широкого спектра существующих и доступных аналогов. Для реализации системы необходимы следующие составляющие элементы:

— регулятор (микро-ЭВМ или микропроцессорный контроллер);

— первичные измерительные преобразователи (датчики давления и температуры);

— средства отображения информации;

— исполнительные механизмы.

3.1 Выбор микропроцессорного контроллера. Анализ существующих аналогов

Появление и быстрое совершенствование вычислительной техники привело к широкому использованию ее в различных областях народного хозяйства. Большие возможности вычислительных устройств, выполненных на основе схем малой и средней интеграции, в сравнении с аппаратными открыли перспективу построения контролирующих, регулирующих и управляющих систем, реализующих более сложные функции управления при высокой степени надежности. Основными требованиями, которые предъявляются к системам автоматического контроля и регулирования, являются: простота и удобство использования, гибкость, живучесть и экономичность. Простота и удобство использования связаны с необходимостью освоения систем без привлечения дефицитных высококвалифицированных специалистов. Гибкость системы характеризуется ее способностью к модернизации. Живучесть связывают с сохранением работоспособности не только в нормальных условиях эксплуатации, но и при внешних аварийных возмущениях; при этом допускается появление ухудшения управления. Экономичность обуславливается малыми капитальными вложениями и эксплуатационными расходами. Изложенным требованиям удовлетворяют системы автоматического контроля, регулирования и управления, построенные на основе микропроцессорных контроллеров и микро ЭВМ.

Контроллер программируемый (КП) предназначен для построения систем управления производственными механизмами и технологическими процессами, требующими выполнения логических, временных и счетных функций. Управление осуществляется по программам, находящимся в запоминающем устройстве, и написанном на языке релейно-контактных сигналов (лестничных диаграмм) и уравнений алгебры Буля в соответствии с комбинацией сигналов, подаваемых на входы КП по записанной в него программе, и обеспечивает требуемую последовательность коммутации каналов выходов и подключенных к ним внешних электрических цепей.

Контроллер может управлять объектом автономно и в составе сложных систем. Запуск КП осуществляется подачей напряжения питающей сети на предварительно включенные блоки питания всех его кассет. Процессор КП считывает и включает записанные в память программы, принимает и обрабатывает сигналы, поступающие на входы, и обеспечивает срабатывание соответствующих выходов контроллера.

Блок логического процессора используется для логической обработки входных и получения выходных сигналов, реализации счетных и временных функций, содержит память данных. Блок памяти программ служит для хранения программы, описывающей алгоритм управления оборудованием, а блоки ввода — для сопряжения входных сигналов с уровнем логических сигналов других блоков контроллера и выбора адресуемого входа. Блок вывода предназначен для усиления мощности выходных сигналов до уровня, необходимого для срабатывания исполнительных устройств.

Обмен информацией происходит по единой магистрали, которая включает в себя 16-ти разрядную шину адреса, 8-разрядную шину данных, шины для организации прерываний, прямого доступа к памяти, управления и питания. С целью согласования различных по быстродействию блоков используется асинхронная связь. Отклик блока на обращение к нему является необходимым условием работы, позволяет вести функциональный контроль устройства.

Внедрение микро ЭВМ в систему управления технологическими процессами наряду с простотой элементной базы и некоторым расширением функций аппаратуры создает принципиально новые возможности в построении децентрализованных или распределенных комплексов. При этом децентрализация предполагает не только рассредоточение аппаратуры, но и распределение функций обработки информации и управления между автономными микро ЭВМ. Для дистанционного сбора информации используются дистанционные измерительные станции. Такие станции могут обрабатывать входные сигналы от аналоговых датчиков и передавать выходные цифровые сигналы по линии связи (в виде скрученной пары проводов) в центральный процессорный блок. Вынесенные измерительные станции имеют свой собственный микропроцессор, мультиплексор, аналогово-цифровой преобразователь и позволяют также разгрузить центральный процессорный блок от дополнительных операций, связанных с реализацией локальных функций управления в одноконтурных регуляторах. Одноконтурные регуляторы могут быть реализованы с помощью различных принципов построения. Наибольшее распространение получили принципы, положенные в основу организации регулирующего микропроцессорного контроллера «Ремиконт Р-130» .

311 Ремиконт Р-130

Ремиконт Р-130 — компактный многофункциональный микропроцессорный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами. Он предназначен для применения в электротехнической, энергетической, химической, металлургической, пищевой, цементной, стекольной, и других отраслях промышленности.

Основой аппаратного обеспечения «Ремиконта» являются средства аналогового ввода-вывода, микро ЭВМ и пульт оператора. Все это входит в структурную схему «Ремиконта» .

Ремиконт Р-130 эффективно решает как сравнительно простые, так и сложные задачи управления. Благодаря малоканальности Ремиконт Р-130 позволяет, с одной стороны, экономично управлять одним агрегатом и, с другой, обеспечить высокую живучесть крупных систем управления.

Ремиконт Р-130 имеет три модели — регулирующую, логическую, и непрерывно-дискретную. Регулирующая модель Ремиконта позволяет вести локальное, супервизорное, многосвязное регулирование. Архитектура этой модели обеспечивает возможность вручную или автоматически включать, отключать, переключать и реконфигурировать контуры регулирования, причем все эти операции выполняются безударно независимо от сложности структуры управления. В сочетании с обработкой аналоговых сигналов эта модель позволяет выполнять также логические преобразования сигналов и вырабатывать не только аналоговые или импульсные, но и дискретные команды управления.

В регулирующей модели Ремиконта Р-130 предусмотрено:

1) До 4 независимых контуров регулирования, каждый из которых может быть локальным или каскадным, с аналоговым или импульсным выходом, с ручным, программным (в том числе монопрограммным) или супервизорным задатчиком.

2) Разнообразное сочетание (по заказу) аналоговых или дискретных входов-выходов (всего 30 модификаций).

3) 76 зашитых в ПЗУ алгоритмов непрерывной и дискретной обработки информации, включая алгоритмы ПИД регулирования, математических, динамических, нелинейных, аналого-дискретных и логических преобразований.

4) До 99 алгоритмических блоков (алгоблоков) со свободным их заполнением любыми алгоритмами из библиотеки и свободным конфигурированием между собой и с входами-выходами контроллера.

5) Ручная установка или автоподстройка любых коэффициентов в любых алгоритмах.

6) Безударное изменение режимов управления и безударное включение, отключение, переключение и реконфигурация контуров регулирования любой степени сложности.

7) Формирование нескольких (до 47) программ с возможностью оперативного выбора нужной программы и ее однократного, многократного или циклического выполнения.

8) Оперативное управление контурами регулирования с помощью 12 клавиш, 2 четырехразрядных цифровых индикаторов и набора светодиодов, позволяющих менять режимы, устанавливать задание, управлять исполнительными механизмами, контролировать сигналы, индицировать аварийные ситуации. При программном регулировании средства оперативного управления позволяют выбирать требуемую программу, пускать, останавливать и сбрасывать программу, переходить к следующему участку программы, а также контролировать ход выполнения программы.

9) Объединение до 15 контроллеров в локальную управляющую сеть «Транзит», причем в эту сеть могут включаться и другие модели контроллеров.

Логическая модель Ремиконта Р-130 формирует логическую программу шагового управления с анализом условий каждого шага, заданием контрольного времени на каждом шаге и условным или безусловным переходом программы к заданному шагу. В сочетании с обработкой дискретных сигналов эта модель позволяет выполнять также разнообразные функциональные преобразования аналоговых сигналов и вырабатывать не только дискретные, но и аналоговые управляющие сигналы.

В логической модели Ремиконта Р-130 предусмотрено:

1)До 4 независимых логических программ шагового управления, каждая из которых может быть линейной (выполняющейся последовательно шаг за шагом) или разветвленной с безусловными или условными переходами.

2)До 89 этапов программы с возможностью реализации в каждом этапе до 20 шагов. При этом в каждом шаге задаются условия его выполнения, контрольное время, в течение которого анализируются условия и определяется поведение программы в случае, когда эти условия не выполняются.

3)Разнообразное (по заказу) сочетание аналоговых и дискретных входов-выходов (всего 30 модификаций).

4)76 зашитых в ПЗУ алгоритмов дискретной и непрерывной обработки информации, включая алгоритмы шагового управления логических, математических, динамических аналого-дискретных и нелинейных преобразований.

5)До 99 алгоритмических блоков (алгоблоков) со свободным их заполнением любыми алгоритмами из библиотеки и свободным конфигурированием между собой и с входами-выходами контроллера.

6)Ручная установка или автоподстройка любых коэффициентов в любых алгоритмах.

7)Оперативное управление контурами регулирования с помощью 12 клавиш, 2 четырехразрядных цифровых индикаторов и набора светодиодов, позволяющих менять режимы, устанавливать задание, управлять исполнительными механизмами, контролировать сигналы, индицировать аварийные ситуации. При программном регулировании средства оперативного управления позволяют выбирать требуемую программу, пускать, останавливать и сбрасывать программу, переходить к следующему участку программы, а также контролировать ход выполнения программы.

8)Объединение до 15 контроллеров в локальную управляющую сеть «Транзит», причем в эту сеть могут включаться и другие модели контроллеров.

Непрерывно-дискретная модель позволяет выполнять разнообразные преобразования как аналоговых, так и дискретных сигналов.

В непрерывно-дискретной модели предусмотрено:

1)Одна логическая программа шагового управления, включающая до 9 шагов. Программа может выполняться последовательно шаг за шагом, разветвляться или выполняться циклически.

2)До 4 контуров регулирования с аналоговым выходом или до 8 контуров импульсного или позиционного регулирования.

3)Разнообразное (по заказу) сочетание аналоговых и дискретных входов-выходов (всего 30 модификаций).

4)76 зашитых в ПЗУ алгоритмов непрерывной и дискретной обработки информации, включая алгоритмы регулирования, шагового управления, логических, математических, динамических, аналогово-дискретных и нелинейных преобразований.

5)До 99 алгоритмических блоков (алгоблоков) со свободным их заполнением любыми алгоритмами из библиотеки и свободным их конфигурированием между собой с входами-выходами контроллера.

6)Ручная установка и автоподстройка любых коэффициентов в любых алгоритмах.

7)Оперативное управление шаговой программой и контурами регулирования с помощью 12 клавиш, одного 4-х разрядного цифрового индикатора и набора светодиодов, позволяющих управлять состоянием программы, менять режимы контуров регулирования, изменять вручную сигналы задания и входные сигналы управления, а также контролировать большой набор аналоговых и дискретных (импульсных) сигналов.

8)Объединение до 15 контроллеров в локальную управляющую сеть «Транзит», причем в эту сеть могут включаться и другие модели контроллеров.

Все модели Ремиконта Р-130 содержит средства оперативного управления, расположенные на лицевой панели контроллера. Эти средства позволяют вручную изменять режим работы, устанавливать задание, управлять ходом выполнения программы, вручную управлять исполнительными устройствами, контролировать сигналы и идентифицировать ошибки.

Стандартные аналоговые и дискретные датчики и исполнительные устройства подключаются к Ремиконту с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

Средства аналогового ввода-вывода содержат узлы гальванического разделения сигналов, узел мультиплексирования аналоговых входных сигналов и группу преобразователей: аналогово-цифровой преобразователь, дискретно-цифровой и цифро-дискретный преобразователи. Узлы гальванического разделения сигналов подавляют помехи общего вида и обеспечивают работу с источниками информации, находящимися под различными потенциалами. Назначение мультиплексора и преобразователей является традиционным. Особенность «Ремиконта» проявляется в том, что на его выходе не используется мультиплексирование, число ЦАП равно числу выходных цепей контроллера. Такое построение «Ремиконта» обусловлено необходимостью запоминать значение каждого выходного сигнала после прекращения вычислительного процесса. При необходимом небольшом числе выходных сигналов затраты на цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи оказываются сравнительно небольшими. Перечисленные узлы ввода-вывода аналоговой и дискретной информации позволяют сопрягать «Ремиконт» с аналоговыми и дискретными датчиками с использованием механизмов пропорционального, позиционного и интегрального действия, а также с различными устройствами дискретного и логического управления.

Ремиконты Р-130 могут объединяться в локальную управляющую сеть «Транзит» кольцевой конфигурации. Для такого объединения никаких дополнительных устройств не требуется. В одну сеть могут включаться как регулирующие, так и логические модели контроллеров. Через сеть контроллеры могут обмениваться информацией в цифровой форме по витой паре проводов. С помощью шлюза, входящего в состав Ремиконта Р-130, сеть «Транзит» может взаимодействовать с любым внешним абонентом (например ЭВМ), имеющим интерфейс ИРПС.

Ремиконт Р-130 — программируемое устройство, но для работы с ним не требуются программисты Особенностью «Ремиконта» является то, что большая часть его памяти программируется на заводе-изготовителе, отсутствуют обычные средства ввода и отладки программ. Процесс программирования сводится к тому, что путем последовательного нажатия нескольких клавиш из библиотеки, зашитой в постоянной памяти, извлекаются нужные алгоритмы, эти алгоритмы объединяются в систему заданной конфигурации и в них устанавливаются требуемые параметры настройки. С помощью встроенной батарейки запрограммированная информация сохраняется при отключении питания. Запрограммированная информация может быть записана в ППЗУ.

Ремиконт Р-130 представляет собой комплекс технических средств. В его состав входит центральный микропроцессорный блок контроллера БК-1 и ряд дополнительных блоков. Центральный блок преобразует аналоговую и дискретную информацию в цифровую форму, ведет обработку цифровой информации и вырабатывает управляющие воздействия. Дополнительные блоки используются для предварительного усиления сигналов термопар и термометров сопротивления формирования дискретных выходных сигналов на напряжение 220 В, организации внешних переключений и блокировок и т. п.

В Ремиконт Р-130 встроены развитые средства самодиагностики, сигнализации и идентификации неисправностей, в том числе при отказе аппаратуры, выходе сигналов за допустимые границы, сбое в ОЗУ, нарушении обмена по кольцевой сети и т. п. Для дистанционной передачи информации об отказе предусмотрены специальные дискретные выходы.

Ремиконт Р-130 является проектно-компонуемым изделием. Его состав и ряд параметров определяются потребителем и указывается в заказе.

312 Комплекс микроДАТ

Новым поколением технических средств для локальных информационно-управляющих систем являются микропроцессорные программируемые контроллеры диспетчеризации, автоматики, телемеханики, известные под торговой маркой микроДАТ.

Комплекс микроДАТ опирается на освоенную электронную базу, доступные материалы, оборудование и технологию, позволяет эффективно использовать разнообразные датчики, исполнительные устройства и другие средства автоматики, информационно-измерительной и управляющей вычислительной техники.

Использование подобных устройств обеспечивает:

1) Необходимый охват функций контроля, регулирования, управления, передачи и отображения информации, характерных для локальных систем, возможность сопряжения со всеми датчиками, исполнительными устройствами и другой периферийной аппаратурой, серийно выпускаемой промышленностью;

2) Значительную экономию средств коммуникации, благодаря территориальному расположению средств контроля и управления непосредственно вблизи технологического оборудования;

3) Большее по сравнению с микроЭВМ соответствие современным требованиям к быстродействию, точности, помехоустойчивости, безотказности систем и т. п.;

4) Возможность проектной компоновки изделий для конкретных систем;

При проектировании, путем совмещения типовых, функциональных структур (агрегатных модулей), возможна реализация следующих функций:

1) Обработка информации и управление;

2) Хранение информации;

3) Обмен информацией, сопряжение с другими агрегатными комплексами;

4) Ввод непрерывных и дискретных сигналов, сигналов постоянного тока и напряжения, сигналов, снимаемых с датчиков;

5) Ручной ввод, вывод и отображение технологической информации для местных пунктов контроля и управления;

6) Использование перфораторов, считывателей, печатающих устройств, накопителей на магнитных дисках, лентах, кассетах, специализированных средств для распределения цифровых систем регулирования;

Базовое программное обеспечение (ПО) МикроДАТ представляет собой совокупность взаимосвязанных программных средств, обеспечивающих автоматизацию разработки и отладки программ, а также автоматическое управление вычислительными и другими процессами в микропроцессорных системах реального времени. В состав ПО входит система ПО инструментальных средств программирования и отладки (САПР ПО) и исполнительная операционная система реального времени (ОС РВ). Исполнительная ОС РВ обеспечивает асинхронное выполнение системных задач (драйверов) и прикладных задач пользователя в порядке их приоритетов; обмен сообщениями между задачами; обработку временных прерываний; организацию системной службы времени; управление вводом-выводом; связь с пультом оператора. ОС РВ представляет ряд услуг: возможность работы с абсолютным временем, развитую подсистему ввода-вывода, поддерживающую разнообразные связи с объектом и оперативно-техническим персоналом.

313 Димиконт

Дисплейный микропроцессорный контроллер Димиконт является многофункциональным проектно-компонуемым пультом оператора Ремиконтов, оснащенный дисплеем, принтером, кассетным накопителем на магнитной ленте и специальным программным обеспечением. Димиконт предназначен для конфигурирования Ремиконтов, регистрации реальной конфигурации Ремиконтов, для информационного обеспечения динамической наладки контуров регулирования, контроля и регистрации параметров технологического процесса, оперативного управления технологическим процессом.

Димиконт состоит из следующих элементов:

— микропроцессорного вычислителя;

— дисплея типа ВТА-2015М;

— устройства печати знакосинтезирующего А512−41;

— устройства внешней памяти на кассетной магнитной ленте СМ5211−26;

В микропроцессорный вычислитель входят следующие модули и блоки:

— ПРЦ-5 — модуль процессора;

— МПП — пять модулей перепрограммируемой памяти;

— ОЗУ4 — три модуля оперативной памяти;

— МУС2 — модуль управления и сигнализации;

— МИС2 — модуль интерфейсной связи;

— МИП — два модуля параллельного интерфейса;

— БСП-5 — блок питания стабилизированный;

— БПН24 — блок преобразователя напряжений;

— БСЭ — блок сухих элементов;

— каркас;

Связь между микропроцессорным вычислителем и дисплеем осуществляется с помощью ИПС, связь с печатающим устройством и кассетным накопителями с помощью интерфейса радиально-параллельной связи. В постоянной памяти Димиконта записано его программное обеспечение. В оперативную память записывается программа пользователя. Программирование Димиконта и ввод параметров (работа с Димиконтом) осуществляется с помощью клавиатуры дисплея. Программное обеспечение состоит из ряда подпрограмм, реализующие определенные процедуры. Контроллер Димиконт может быть подключен и к Ломиконту.

314 Ломиконт

Контроллер логический микропроцессорный (Ломиконт) является многоцелевым контроллером общепрограммного назначения, и предназначен для автоматического управления технологическими процессами.

Ломиконт обрабатывает дискретные, аналоговые и импульсные входные сигналы, формирует дискретные, аналоговые и импульсные выходные сигналы, выполняет операции импульсной логики, имеет таймеры и счетчики, параллельно с логическим управлением осуществляет сложную обработку аналоговых сигналов, в том числе фильтрацию, интегрирование, ПИ и ПИД — регулирование с автоподстройкой и без нее, позволяет выводить технологические сообщения (ТС) и текущие значения параметров на дисплей для наблюдения за ходом процесса и на печатающее устройство для документирования процесса управления.

Основные отличия Ломиконта от нецифровых средств управления:

— новые функциональные возможности при построении СУ, такие как сложные алгоритмы обработки дискретных сигналов, вывод информации на дисплей и печать, цифровая связь с ЭВМ верхнего уровня системы управления;

— высокая надежность и встроенные средства диагностики;

— возможность легкой переналадки;

При работе с Ломиконтом используется микропроцессорный пульт (МП), предназначенный для технологического программирования, настройки, контроля и наладки системы управления на базе Ломиконта и для оперативного управления технологическим процессом. МП имеет экран и специализированную клавиатуру. Клавиши верхнего ряда предназначены для задания режимов работы Ломиконта, клавиши первой группы используются для ввода технологической программы, клавиши средней группы — для задания типа и номера переменных или алгоритма и констант. Кроме того пульт имеет ламповые индикаторы, расположенные над клавишами и звуковой сигнал с регулятором громкости. Экран пульта содержит 10 строк, вмещающих по 16 символов. Верхняя строка называется системной и используется для ввода различных системных сообщений. Нижняя строка называется рабочей строкой.

Ломиконт содержит следующие основные элементы:

— вычислительный микропроцессор (вычислитель);

— память программы пользователя;

— устройство связи с объектом;

— модуль цифровой связи;

— каркас и шину внутриблочной интерфейсной связи;

— средства оперативного управления;

— устройства питания и переключения;

— облучатель ультрафиолетовый;

— конструктивные элементы;

В состав МП вычислителя входят:

— ПРЦ5 — модуль процессора;

— ПЗУ2 — модуль постоянного ЗУ;

— ОЗУ4 — модуль оперативного ЗУ;

Алгоритмы входящие в состав библиотеки алгоритмов Ломиконта, могут выполнять: регулирование, динамическое преобразование, математические функции, математические функции с числами двойного формата и формата с плавающей запятой, преобразование форматов, операции переключения, массовые операции с дискретными переменными, функции обмена информацией с другими Ломиконтами по цифровому каналу связи, специальные операции.

Программа пользователя составляется на технологическом языке Ломиконта — МИКРОЛе. Работа оператора с пультом происходит в диалоговом режиме с автоматическом контролем правильности действия оператора. При работе с Ломиконтом не требуются программисты.

Выпускается четыре модели Ломиконта, различающихся числом каналов ввода-вывода (от 60−90 до 300−900) и, соответственно числом каркасов и наличием или отсутствием дублирования, повышающего надежность работы Ломиконта.

На основе проведенного анализа существующих моделей контроллеров и микро-ЭВМ был сделан вывод, что решению поставленной задачи автоматического контроля и регулирования наиболее полно соответствует микропроцессорный контроллер типа «Ремиконт Р-130» .Следует также отметить, что использование Ремиконта Р-130 позволяет обойтись без применения специальных средств отображения информации, так как Ремиконт Р-130 имеет в своем составе цифровое табло индикации, позволяющее отображать информацию в объеме, достаточном для организации системы контроля.

32 Технические характеристики микропроцессорного многофункционального контроллера Ремиконт Р-130

Таблица 31 — Основные технические характеристики Ремиконта Р-130

Принимая во внимание все выше сказанное, было принято решение использовать два контроллера Ремиконт Р-130 логической модели для организации системы контроля. Каждый контроллер логической модели 11-ой модификации имеет 16 аналоговых входов и 8 аналоговых выходов, что позволяет контролировать требуемые 32 параметра технологического процесса.

Для организации системы регулирования решено использовать 1 контроллер Ремиконт Р-130 регулирующей модели 25-ой модификации, имеющий 8 аналоговых, 8 дискретных входов и 12 дискретных выходов с формированием в контроллере трех аналогичных, но независимых алгоритмов регулирования для каждого в отдельности регулируемого параметра. Следует отметить, что максимальное число независимых контуров регулирования для данной модели равно четырем.

3.3 Выбор термопреобразователя

3.3.1 Термопреобразователи сопротивления медные

Измерение температуры с помощью термопреобразователя основано на свойстве меди изменять свое сопротивление с изменением температуры. Измерительным узлом термопреобразователя является помещенный в защитную арматуру чувствительный элемент, представляющий собой бифилярную намотку из медной проволоки. Элемент включен в электрическую цепь преобразователя. Изменение сопротивления медного чувствительного элемента фиксируется вторичным прибором, имеющим шкалу, градуированную в градусах Цельсия.

Требуемым условиям эксплуатации отвечают характеристики медного преобразователя сопротивления типа ТСМ-1187.

3.3.2 Термопреобразователь сопротивления типа ТСМ-1187

Предназначен для измерения температуры жидких и газообразных сред во взрывоопасных зонах или помещениях, в которых могут содержаться аммиак, азотоводородная смесь, углекислый газ и его компоненты, а также агрессивные примеси сероводорода и сернистого ангидрида в допустимых пределах по ГОСТ 1271.005−76. Кратковременно (до 4 часов) допускается эксплуатация при концентрации примеси водорода до 100 мг/куб.м или сернистого ангидрида до 200 мг/куб.м.

Таблица 32 — Технические данные:

3.4 Выбор преобразователя давления

Основной сложностью для выбора датчика давления является взрывоопасность тех помещений мини-спирт завода, в которых требуется контролировать давление на участках технологической линии, т. е. необходимо либо выбрать взрывозащищенный вариант преобразователя, либо обеспечить его взрывозащиту. Второй вариант представляется менее предпочтительным из-за необходимости привлечения дополнительного оборудования (т.е. дополнительных средств), что приведет к удорожанию проекта. Требуемыми характеристиками, отвечающими условиям эксплуатации (с учетом взрывоопасности), обладает преобразователь давления Сапфир 22Ди-Ех взрывозащищенный.

3.4.1 Назначение, устройство и работа преобразователя Сапфир 22-Ех

Преобразователь измерительный взрывозащищенный Сапфир22-Ex (в дальнейшем — преобразователь) предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами взрывоопасных производств и обеспечивает непрерывное преобразование значения измеряемого параметра — давления избыточного, абсолютного, гидростатического, разрежения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый сигнал дистанционной передачи.

Преобразователи разности давлений могут использоваться для преобразования значений уровня жидкости, расхода жидкости или газа, а преобразователи гидростатического давления — для преобразования значения уровня жидкости в унифицированный токовый выходной сигнал.

Преобразователи Сапфир 22-Ех выполняются с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» с уровнем взрывозащиты «особовзрывоопасный». Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства. Преобразователи различных параметров имеют унифицированное электронное устройство и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.

Измеряемый параметр подается в камеру измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента, что вызывает изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке. Электронное устройство преобразователя преобразует это изменение сопротивления в токовый сигнал. Чувствительным элементом преобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя. Схема преобразователя Сапфир22-Ех показана на рис. 31

• Рис. 3.1 — Схема преобразователя Сапфир22-Ех

Давление рабочей среды воздействует на мембрану 1 (см. рис. 1), и посредством штока 2 вызывает деформацию чувствительного элемента, прочно скрепленного с мембраной тензопреобразователя 3. Чувствительный элемент — кристалл сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС). Тензорезисторы соединены в мостовую схему 4.

Деформация измерительной мембраны приводит к пропорциональному изменению сопротивления тензорезисторов и разбалансу мостовой схемы. Электрический сигнал с выхода мостовой схемы поступает в дифференциальный усилитель 5 электронного блока. Встроенный в усилитель регулятор коэффициента усиления обеспечивает перенастройку диапазонов измерений. Усиленный сигнал преобразуется в унифицированный токовый (0−5; 4−20; 20−4; 5−0 мА) в преобразователе 6. Питание всех звеньев электрической схемы датчика осуществляется через узел питания 7. Устройство термокоррекции 8 компенсирует влияние температурных воздействий на тензомост.

3.4.2 Технические характеристики преобразователя Сапфир 22-Ех