Автоматизация процесса охлаждения пивного сусла в теплообменнике

Введение

Открытое Акционерное Общество «Балтика — Пикра» — крупнейший в Восточной Сибири производитель пива, безалкогольных напитков, минеральной воды и слабоалкогольных коктейлей. Акционерное общество «ПИКРА» образовано в 1991 году на базе старейшего действующего предприятия в городе Красноярске — Красноярского пивоваренного завода, основанного в 1875 году.

Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения условий труда. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации. АСУ ТП становятся неотъемлемой частью новых крупных производственных агрегатов, технологических линий и производств и являются качественно новым этапом автоматизации производства, позволяющим комплексно автоматизировать технологический процесс.

До появления АСУ ТП и управляющих вычислительных машин эффективно эксплуатировались различные локальные системы автоматизации. Основное назначение АСУ ТП — объединить их в единую, взаимоувязанную систему, обеспечивающую управление на качественно новом уровне — с использование в управлении технико-экономических параметров и критериев. Внедрение автоматизации в процесс производства пивного сусла позволяет повысить технико-экономические показатели процессов за счет:

— экономии сырья и электроэнергии;

— увеличения выпуска продукции;

— повышения производительности труда;

— повышения надежности работы оборудования;

— улучшения условий труда;

— улучшению качества получаемого продукта;

— высвобождения человеческих ресурсов.

1. Технологическая часть

1.1 Описание процесса приготовления сусла Рисунок 1.1 — Аппаратурно-технологическая схема процесса приготовления сусла Профиль пивоваренной компании «Балтика»:

— лидер российского рынка пива с долей 39,7%;

— пивоваренные заводы в 10 городах России в Санкт-Петербурге, Ярославле, Туле, Воронеже, Ростове-на-Дону, Самаре, Челябинске, Красноярске, Хабаровске, Новосибирске;

— совокупная производственная мощность заводов компании составляет 5,2 млн гектолитров пива в месяц;

— около 30 брендов пива (в их числе «Балтика», «Арсенальное», «Невское», «Ярпиво», Tuborg, Carlsberg, Kronenbourg 1664, ряд региональных марок) и 11 непивных брендов;

— продажи в 98% торговых точек России;

— продукция компании «Балтика» представлена более чем в 70 странах мира, в том числе в странах Западной Европы, Северной Америки, ближневосточного региона.

Сырьем для приготовления сусла является солод — продукт, состоящий из пророщенных злаков. Весь процесс получения пивного сусла начинается с очистки и подготовки солода, и делится на несколько технологических операций: полировка, взвешивание и дробление солода, затирание солода и несоложенных материалов с водой, осахаривание затора, фильтрация сусла и выщелачивание затора (отделение от дробины), промывка дробины водой и выщелачивание оставшегося экстракта солода, кипячение и охмеление сусла, отделение хмеля от сусла и перекачка охмеленного сусла в отстойные чаны для охлаждения. Все операции производятся на специальном оборудовании в варочном цехе ОАО «Балтика». Варочный цех по комплексу самостоятельных мероприятий делится на два отделения: дробильное, в котором подготавливают и дробят солод, и варочное, в котором проводят затирание солода и несоложенных материалов, осахаривание затора, фильтрацию сусла, кипячение его с хмелем и отделение от хмеля и перекачка охмелённого сусла в холодильный аппарат для его последующего охлаждения. Дробильное отделение состоит из таких агрегатов как бункера подработки, где хранится солод, весы и мельница. Варочное отделение состоит из варочных котлов. Стадии производства пивного сусла показаны на рисунке 1. Рассмотрим стадии производства сусла.

1) Дробильное отделение: готовый отлежавшийся солод после длительного хранения и транспортировки содержит пыль, ростки и другие примеси, а иногда и случайно попавшие металлические предметы. Перед дроблением солод должен быть очищен. Затем его взвешивают, дробят и подают в варочный цех на приготовления сусла. Очистительное оборудование (полировочная машина), весы и мельцы устанавливаются в дробильном отделении над варочном цехе.

Процесс приготовления пивного сусла (затирание припасов с водой, кипячение отварок, фильтрация и выщелачивание затора, кипячение сусла с хмелем и его дальнейшее охлаждение) производится в варочном цехе на специальном оборудовании. Четырехпосудный варочный агрегат состоит из заторного чана или котла для затирания дроблёного солода с водой и осахаривания затора, заторного котла для кипячения затора и отварок, фильтрационного чана для отделения сусла от дробины, сусловарочного котла для кипячения сусла с хмелем и для выпаривания избытка воды.

Рисунок 1.2 — Мельница для измельчения зерна В каждом варочном цехе имеется также хмелецедильник для отделения хмеля от сусла после кипячения, пластинчатый теплообменник для охлаждения сусла и подсобное оборудование — насосы, трубопроводы и др.

В последнее время варочные агрегаты изготавливают несколько изменённой конструкции (модернизированные). Они состоят из четырёх посуд: двух одинаковых по ёмкости и конструкции варочных котлов с паровым обогревом (один котёл заменяет заторный чан), фильтрационного чана и сусловарочного котла. Такая модернизация намного увеличивает производительность варницы, и кроме того позволяет маневрировать в процессе варки и осуществить новые методы затирания. Варочные котлы снабжены качающейся трубкой с поплавком, через которую стягивается с затора осветлённая часть жидкости, а гуща остаётся в котле. Котлы оборудованы специальными колонками, в которых смешивается холодная и горячая вода. В колонках установлены термометры. Фильтрационный чан снабжён регулятором давления, показывающим давление при фильтрации. В варочном цехе имеются центробежные насосы, используемые для перекачки отварок для обработки, затора на фильтрацию, мутного сусла обратно в фильтрационный чан, охмелённого сусла в хмелецедильник, далее на охлаждение сусла в пластинчатый теплообменник.

2) Заторный котёл: предназначен для нагревания и кипячения частей затор. Содержимое котла (затор или сусло) обогревается паром, проходящем по змеевику внутри котла или в паровой рубашке с двойным дном. Снаружи котёл изолируют. Котлы бывают цилиндрическими со сферическим дном или плоским. Над котлом укреплена куполообразная крышка с вертикальной вытяжной трубой. В сферическом дне имеется отверстие, закрываемое вентилем, через который спускают густую массу затора. Для отбора жидкой части котлы оборудованы стяжной трубой — декантатором. Открытый конец прикреплён к поплавку и всегда находится на поверхности жидкой части, а другой связан с отводящим трубопроводом. На крышке котла расположен смотровой люк. Для обогрева заторной массы сбоку в днище подведён трубопровод пара; внизу днища находится отверстие со штуцером для отвода конденсата от пара. Для перемешивания заторной массы во время подогрева внутри котла установлена пропеллерная мешалка, соединённая вылом с редуктором и электродвигателем. Густая часть затора спускается полностью через нижнее отверстие дна, закрываемое вентилем. Заторная масса подаётся в котёл по трубопроводу, изогнутому вверх через борт. Заторный котёл представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 — Заторный котёл 1 — предзаторник; 2 — задвижка, регулирующая подачу солода; 3 — водосмеситель; 4 — пропеллерная машина; 5 — вал мешалки; 6 — заторный вентиль; 7 — регистрирующий термометр; 8 — цилиндрическая часть чана; 9 — приёмный патрубок заторной массы; 10 — труба к заторному насосу; 11 — труба, соединяющая предзаторник с бункером дроблёного солода

3) Фильтрационный чан: фильтрационный чан предназначен для отделения пивного сусла от дробины и последующего выщелачивания её горячей водой. Он представляет собой цилиндр с плоским днищем, на которое укладывается разборное фильтрационное сито с фрезерованными щелевыми отверстиями, изготовленное из листовой латуни. С нижней стороны сита отверстия делают более широкими, чем с верхней. Такая форма отверстий уменьшает сопротивление движению сусла через щель. Сетчатое дно располагают на расстоянии 10−12 мм над основным дном. В чане имеется разгрузочный люк, разрыхлительный механизм, привод разрыхлительного механизма, сегнерово колесо, фильтрационная батарея и другие вспомогательные механизмы. Разрыхлительный механизм представляет собой систему вертикальных ножей, которые расположены таким образом, что расстояние между прорезами, оставленными ножами в дробинке, равно 10 см.

На концах ножей обычно приварены пропашники. Разрыхлитель может работать при выгрузке дробины в виде сплошного щита, для этой цели ножи специальным механизмом проворачиваются на 90 градусов. Разрыхлитель вращается от электродвигателя через редуктор, поднимается и опускается при помощи гидравлического подъёмника или масляного насоса. Разрыхлительный механизм работает на двух скоростях: на малой при выщелачивании дробины и на повышенной при выгрузки её.

При промывки дробины для извлечения оставшегося экстракта применяют сегнерово колесо, с помощью которого горячая вода равномерно орошают дробину по всей площади фильтрационного чана. Отфильтрованное сусло отводят из фильтрационного чана через отверстия в основном дне. К этим отверстиям прикреплены одним концом отводные трубки, на другом конце которых имеются краны, регулирующие скорость вытекания сусла из-под сита. Трубки распределены равномерно на площади дна. Концы трубок из днища фильтрационного чана выводятся к сборному корыту. Краны вместе с корытом называются фильтрационной батареей. Фильтрационный чан представлен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 — Фильтрационный чан

4) Сусловарочный котёл: предназначен для кипячения, охмеления и упаривания пивного сусла. В нём имеется разгрузочное устройство для выпуска сусла из котла и пропеллерная машина для перемешивания сусла. Сусловарочный котёл устроен так же, как и заторный котёл, но объём и поверхность обогрева его больше. Котёл обогревается паром через паровую рубашку или при помощи змеевиков, устанавливаемых внутри котла в несколько витков. Снаружи котёл необходимо изолировать.

Для измерения количества сусла сусловарочный котёл снабжён измерительной рейкой. При помощи которой замеряют в нём количества сусла. Рейка делается не на всю высоту котла, а только для верхней цилиндрической части его. Сусло можно варить в котлах под давлением, при этом достигается более хорошая коагуляция белков, повышается биологическая стойкость пива, сокращается расход пара.

Сусловарочный котел представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 — Сусловарочный котел

5) После охмеления горячее сусло спускается на хмелецедильник (вирпул). Сусло в хмелецедильнике процеживается через сито, а хмель задерживается на сите. Хмелецедильник простейшей конструкции представляет собой четырёхугольный или цилиндрический сосуд, в который вставляется второе ложное ситчатое дно или ситчатый сосуд меньших размеров. Хмелецедильник снабжён мешалкой для перемешивания хмеля при промывании его водой. Хмелевая дробина задерживается на сите, а освобождённое от хмеля сусло протекает сквозь сито и передаётся насосом на охлаждение в пластинчатый теплообменник.

1.2 Краткие данные о конструкции теплообменника Прежде чем начнется брожение сусла его надо охладить, это обуславливается тем, что дрожжевой грибок ослабляется при температурах свыше 30 °C. А температура сусла на выходе вирпула составляет порядка 70 °C. Одновременно растет риск инфицирования сусла нежелательными микроорганизмами, так как их оптимальные температуры лежат в пределах 20−30 °С. Позже когда начнется брожение, дрожи смогут сдержать рост бактерий, поэтому охлаждение проводят в закрытых системах. На теплообменнике сусло охлаждается до 10−17°С. Точный уровень температуры зависит от сорта пива и типа используемых дрожжей.

На рисунке 1.6 изображена схема распределение теплообменивающихся жидкостей (рисунок 1.6, позиция 1). С обеих сторон каждой пластины расположены желобки, по которым зигзагообразно стекает жидкость от входного канала к выходному; по желобкам одной стороны протекает сусло (рисунок 1.6, позиция 2), по желобкам обратной стороны противотоком протекает холодная или гликолевая вода (рисунок 1.6, позиция 3). В первой секции пластинчатого теплообменника охлаждение производится водой (рисунок 1.6, позиция 4), во второй — гликолевой водой (рисунок 1.6, позиция 5). Пластинчатый теплообменник является закрытым аппаратом для охлаждения сусла.

Рисунок 1.6 — Схема теплообмена При увеличении температуры сусла на выходе приводит браку продукции. Уменьшение температуры сусла приводит к замедлению процесса брожения, что может сказаться на вкусовых качествах продукции, и увеличить сам процесс брожения, а так привести к тому что брожение не пойдет из-за низкой температуры, следовательно произойдет остановка процесса. Установка новой АСР снизит риск инфицирования сусла, что уменьшит брак продукции, а так же сократит затраты электроэнергии.

На рисунке 1.7 показан коструктивный чертеж теплообменника.

Рисунок 1.7 — Конструктивный чертеж теплообменника: 1 — пластины теплообменника; 2 — фланцы; 3 — секционный разделитель

2. Автоматизация процесса охлаждения сусла

2.1 Описание процесса охлаждения сусла как объект управления Процесс охлаждения сусла как объект управления изображен на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 — Охлаждение сусла в пластинчатом теплообменнике Возмущающими воздействиями являются:

?Т₁охл — изменение температуры охлаждающей жидкости (гликоля);

?Т₂охл — изменение температуры охлаждающей жидкости (воды);

?Тсус — изменение температуры сусла на впуске в теплообменнике.

Управляющими воздействиями являются:

Fсус — управление расходом сусла через теплообменник;

F₁охл — управление расходом охлаждающей жидкости теплообменника (гликоля);

F₂охл — управление расходом охлаждающей жидкости теплообменника (воды).

Выходным показателем является:

Тсус — температура сусла;

P — давление сусла.

Регулирование параметра Тсус производится изменением расходов охлаждающих жидкостей F₁охл и F₂охл, а так же изменением расхода сусла через теплообменник. Т. е при увеличении расхода охлаждающих жидкостей теплосъём с теплообменника увеличивается, тем самым уменьшается температура теплообменника, в следствии чего температура сусла на выходе тоже уменьшается.

2.2 Выбор и обоснование контролируемых и регулируемых параметров Одним из наиболее важных параметром в системе охлаждения сусла, является температура сусла на выходе из теплообменника. Это обусловлено тем, что на дальнейших этапах в сусло будет добавлены дрожжи и в течении недели будут происходить процессы брожения, в результате которых готовый продукт приобретает содержание алкоголя. Но чтобы брожение прошло успешно, сусло должно иметь температуру 10 °C. Если температура будет ниже, то процесс брожения будет происходить медленнее, в следствии чего процесс брожения не закончится полностью. Если температура сусла на выходе из пластинчатого теплообменника будет выше 10 °C, то это приведет к риску инфицирования сусла нежелательными микроорганизмами, что может привести к браку продукции.

Так же важным параметром является температура сусла на входе в теплообменник. Для разных сортов пива имеются разные рецепты, по которым сусло варится при определенных температурах. И эта температура может варьироваться в пределах 10−12 градусов. Предварительно знать с какой температурой придет сусло в теплообменник очень важно, так как на выходе температура сусла должна быть 10 °C не зависимо от температуры сусла на входе. Поэтому что бы система заранее могла подготовиться к приему более горячего сусла, эту температуру замеряют на входе в теплообменнике. И если сусло пришло горячее, чем в предыдущем цикле, то в контурах охлаждения увеличивается расход охлаждающей жидкости.

Чтобы в процессе работы теплообменника не произошло аварийных ситуаций, следует контролировать давления в трубопроводах сусла и охлаждающей жидкости (вода и гликоль), а при программировании микроконтроллера учесть ситуацию, когда давление в трубопроводе сильно возрастает. Например, запрограммировать микроконтроллер на остановку процесса и подачу аварийной сирены при достижении давлении в трубе, при котором возможен её прорыв.

В процессе охлаждения может случиться так, что охлаждающая жидкость начнет нагреваться, следовательно, чтобы сусло охладилось, надо увеличить расход охлаждающей жидкости. Поэтому в системе охлаждения сусла следует регулировать расход воды и гликоля, а так же контролировать их температуры, так как эти параметры связаны.

Регулирование расхода сусла на входе теплообменника обуславливается тем, что охлаждённое сусло после теплообменника поступает на смеситель, в котором обогащается кислородом, без которого дальнейший процесс брожения невозможен. Но чтобы произвести обогащение сусла кислородом следует подавать его на смеситель в определенных пропорциях с кислородом, поступающим на смеситель.

Регулирование вышеперечисленных параметров обеспечивает выполнение требований по автоматизации процесса охлаждения пивного сусла в пластинчатом теплообменнике.

2.3 Выбор технических средств автоматизации для АСУ ТП Выбор датчиков для систем автоматического контроля и регулирования определяется:

— пределами и необходимой точностью измерений контролируемых параметров;

— условиями работы (запыленностью, наличием агрессивных сред и т. д.);

— номенклатурой выпускаемых приборов.

При выборе исполнительных механизмов (ИМ) и регулирующих органов необходимо учитывать ряд требований. Выбор ИМ зависит от:

— типа регулятора (электрического, пневматического и т. д.);

— величины усилия, необходимого для перемещения регулирующего органа;

— требуемого быстродействия;

— условий эксплуатации.

При выборе регулирующего органа (РО) необходимо учесть:

— параметры регулируемой среды (давление, температура и т. д.);

— величину регулируемого расхода и диапазон его изменения;

— условия монтажа и эксплуатации.

Для регулирования расхода сусла выбираем расходомер, он должен подходить для работы со средой, которая близка по характеристикам с суслом (работать при температуре от 0 до 100°С), иметь небольшую погрешность, а так же работать при температуре 45 °C (температура цеха, в котором будет стоять прибор примерно 45°С), так же прибор должен быть сертифицирован для работы в пищевой промышленности. По таким критериям подходят множество расходомеров. В данных условиях нам подходит электромагнитный расходомер COPA FXE4000, он имеет довольно компактную форму и удовлетворяет требованиям, предъявляемым в нашей системе охлаждения сусла в теплообменнике. Размер измерителя выбираем в соответствии с расходом сусла. В нашем случае расход равен 69 м³ч, поэтому нам подойдет расходомер, размером 250DN. Плюс ко всему расходомер COPA FXE4000 пригоден для работы в пищевой промышленности, так как в его конструкции предусмотрены специальные пищевые фланцы. Электромагнитный расходомер FXE4000 имеет следующие характеристики:

точность:? 0,5% от диапазона измерений;

воспроизводимость:? 0,15% от диапазона измерений;

минимальная проводимость: 5 мкСм/см (20 мкСм/см для минерализованной воды);

напряжение питания: Высокое переменное напряжение: 230 В (15/+10%)

выходные сигналы: 0−20, 4−20 мА по заказу;

создание магнитного поля: 6 ¼, 7 ½ Гц 12 ½ Гц, 15 Гц (при частоте сети питания 50/60 Гц);

питание:? 14 В для переменного тока (первичный и вторичный преобразователи расходомера)? 6 В для постоянного тока (первичный и вторичный преобразователи расходомера);

температура окружающей среды: От +20°C до +60 °C;

измерение прямого / обратного потока: Направление потока показывается стрелками на дисплее и сигналом на оптронном выходе (выходе внешнего контакта);

дисплей: у дисплея имеется подсветка. Данные можно вводить с помощью 3 кнопок клавиатуры. Полностью графический жидкокристаллический точечноматричный дисплей 2×16 символов. Внутреннее значение расхода суммируется по отдельности для каждого направления потока с использованием одних из 16 различных непосредственно выводимых технических единиц измерения. Значение расхода выводится в процентах или с использованием любых из 45 различных непосредственно выводимых технических единиц измерения. Корпус вторичного преобразователя можно поворачивать на 90°. Дисплей может устанавливаться в трех положениях, обеспечивающих его оптимальную читаемость. В мультиплексном режиме, в дополнение к выбору вывода данных, в 1-й и 2-й строках, значение расхода может выводиться в виде %, непосредственно выводимых технических единиц измерения или столбчатой диаграммы, также могут выводиться показания сумматора для прямого или обратного направлений, номер технологической позиции или значение выходного тока i. Данный датчик (COPA FXE4000) также подходит для измерения расхода горячей воды (расход воды порядка 75 м³/ч), в трубопроводе охлаждения и для измерения расхода гликоля в трубопроводе охлаждения (расход гликоля порядка 70 м³/ч).

Для контроля температуры сусла выбираем датчик температуры: он должен иметь диапазон измерений, охватывающий 80 °C (такую температуру имеет горячее сусло на входе в теплообменник) и 10 °C (температура охлажденного сусла на выходе из теплообменника). Нам подходит термометр сопротивления Метран-203, который предназначен для измерения температуры различных, в том числе агрессивных, сред с помощью погружных или контактных термопреобразователей (в том числе вращающихся поверхностей), имеет пыле и влагозащиту. Характеристики ТСМ Метран-203:

— предназначен для измерения температуры жидких и газообразных химически неагрессивных сред, а также химически агрессивных, не разрушающих материал защитной арматуры;

— диапазон измерений от -5С° до +200°С;

— погрешность ±0,05°С;

— климатическое исполнение от 10С° до 85 °C;

— рабочий спай изолированный;

— выходной сигнал 4 — 20 мА;

— размеры L = 160 мм;

— средний срок службы не менее 3х лет;

— дополнительные требования возможность работы в пищевой промышленности.

Данный датчик (ТСМ Метран-203) также нам подходит для измерения температуры холодной и горячей воды в трубопроводе охлаждения (температура 15 °C и 80 °C соответственно) и для измерения температуры холодного и горячего гликоля в трубопроводе охлаждения (температура -3°С и 6 °C соответственно).

В системе охлаждения сусла в теплообменнике необходимо контролировать давление в трубопроводе, чтобы не было его разрыва. Наиболее распространенными на территории России и СНГ и зарекомендовавшими себя с лучших сторон являются датчики давления семейства Метран-100. Принцип действия датчиков основан на использовании пьезорезистивного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической пластины из искусственного сапфира. Чувствительный элемент с монокристаллической структурой кремния на сапфире является основой всех сенсорных блоков датчиков семейства «Метран». При деформации чувствительного элемента под воздействием входной измеряемой величины (например, давления или разности давлений) изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов мостовой схемы на поверхности этого чувствительного элемента. Электронное устройство датчика преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока и/или в цифровой сигнал в стандарте протокола HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485. Выбираем датчик давления Метран-150ТА. Характеристики датчика Метран-150ТА:

— прибор измеряет давление жидкости, пара, газа, в т. ч. газообразного кислорода и кислородосодержащих газовых смесей; пищевых продуктов;

— диапазоны измеряемых давлений: минимальный 0−0,04 кПа, максимальный 0−100 Мпа;

— основная погрешность измерений — до ± 0,1% от диапазона измерений;

— выходной сигнал 4−20 мА;

— гарантийный срок эксплуатации 3 года;

— межповерочный интервал D 4 года.

В охлаждающих трубопроводах (трубопровод воды, трубопровод гликоля) нам также нужно контролировать давление, чтобы избежать аварийных ситуаций, поэтому в качестве датчиков давления также используем Метран-150ТА.

При выборе регулирующих органов учитываем размер трубопровода и вид среды. Исполнительный механизм должен обладать быстродействием, а так же должен быть не чувствителен к высокой внешней температуре. Поэтому выбирать электромагнитные исполнительные механизмы не стоит в связи с их возможным перегревом. Выбираем электропневматический позиционер 4763 компании SAMSON, он работает в комплекте с регулирующим органом — пневматическим клапаном типа Samson 241 (Dy = 250; температуры от -196єС до +450єС). Электропневматический позиционер имеет постоянное пневматическое питание. Электрический сигнал, поступающий на позиционер, преобразуется в пневматический и подаётся на клапан, тем самым приоткрывая или закрывая заслонку клапана.

2.4 Выбор микропроцессорного контроллера для АСУ ТП При выборе контроллера руководствуемся следующим:

— условиями эксплуатации — степень защиты контроллера должна быть не менее IP54;

— коммутационными возможностями — необходимо возможность связать контроллер как с датчиками (с низким уровнем), так и с ЭВМ (с верхним уровнем);

— характеристиками модулей ввода-вывода. Для нашего технологического процесса необходимо подключить 15 датчиков (с выходным сигналом 4−20мА) к модулю аналогового ввода (с учетом 20%-го резерва необходимо иметь возможность подключить еще 1 датчик); 3 пневматических регулирующих клапанов к модулю дискретного вывода (с учетом 20%-го резерва необходимо иметь возможность подключить еще 1 клапан);

— характеристиками процессора — необходимо наличие современного процессора, имеющего высокую частоту и низкое время обработки операций;

— температурой эксплуатации от +5 ^єС до +55 ^єС;

— наличием в контроллере часов реального времени.

Сравнивая контроллеры разных производителей (Beckhoff, Emerson, Foxboro, Honeywell, Siemens, Yokogawa), которые удовлетворяют данным требованиям, выбрали контроллер Simatic S7−300 (рисунок 2.4) благодаря большому количеству положительных отзывов, широкому использованию данного контроллера в промышленности и объемной информационной и технической поддержкой.

SIMATIC S7−300 — это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Эффективному применению этого контроллера способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Рисунок 2.4 — микропроцессорный контроллер Simatic S7−300

Для нашего технологического процесса необходимо наличие следующих модулей:

Модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т. д. Для нашего процесса оптимальным является процессор CPU 315−2, который управляет системой управления средней степени сложности со скоростной обработкой;

Модуль блока питания (PS 307), обеспечивающий возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230 В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В;

Модуль ввода аналоговых сигналов SM 331, к которому возможно подключить до 8 датчиков (с учетом резерва нам необходимо место под 16 датчиков, следовательно необходимо наличие 3-х модулей SM 331);

Модуль ввода-вывода дискретных сигналов SM 323, к которому возможно подключить до 8 устройств (с учетом резерва нам необходимо место под 3 устройства);

Интерфейсный модуль для подключения модулей приводов позиционирования к PROFIBUS DP IM 178−4, для связи с верхним уровнем

АСУ ТП.

Таблица 1 — Ценовые затраты на модули контроллера

Программирование микропроцессорного контроллера Simatic S7−300. Программирование контроллера осуществляют с помощью поставляемой в комплекте с контроллером программы SIMATIC STEP 7.

С помощью этой программы выполняется комплекс работ по созданию и обслуживанию систем автоматизации на основе программируемых логических контроллеров SIMATIC S7−300 и SIMATIC S7−400 фирмы Siemens. В первую очередь это работы по программированию контроллеров. Программируемый логический контроллер — это микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами (например, системы управления микроклиматом). Принцип работы контроллера заключается в сборе сигналов от датчиков и их обработке по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. В основе работы лежит концепция проекта, под которым понимается комплексное решение задачи автоматизации, включая несколько взаимосвязанных контроллеров, соединяющие их сети и системы человеко-машинного интерфейса. Работу с проектом в целом обеспечивает главная утилита STEP 7 — SIMATIC Manager. STEP 7 позволяет производить конфигурирование программируемых логических контроллеров и сетей (утилиты HWConfig и NetPro). В процессе конфигурирования определяется состав оборудования в целом, разбиение на модули, способы подключения, используемые сети, выбираются настройки для используемых модулей. Система проверяет правильность использования и подключения отдельных компонент. Завершается конфигурирование загрузкой выбранной конфигурации в оборудование, что по сущности является настройкой оборудования. Утилиты конфигурирования позволяют осуществлять диагностику оборудования, обнаруживать аппаратные ошибки или неправильный монтаж оборудования. Программирование контроллеров производится редактором программ, обеспечивающим написание программ на трех языках:

— LAD — язык релейно-контактной логики;

— FBD — язык функциональных блочных диаграмм;

— STL — язык списка инструкций.

В дополнение к трем основным языкам могут быть добавлены четыре дополнительные языка, поставляемые отдельно:

— SCL — структурированный язык управления, по синтаксису близкий к Pascal;

— GRAPH 7 — язык управления последовательными технологическими процессами;

— HiGraph 7 — язык управления на основе графа состояний системы;

— CFC — постоянные функциональные схемы.

Возможность наблюдения за текущим состоянием программы, доступное при использовании любого языка программирования, обеспечивает не только отладку программного обеспечения, но и поиск неисправностей в подключаемом оборудовании, даже если оно не имеет средств диагностики. В проект STEP 7 могут быть включены системы человеко-машинного интерфейса, например операторские панели, конфигурируемые с помощью производимого Siemens программного обеспечения ProTool или WinCC Flexible, или персональный компьютер с программным обеспечением WinCC. Интеграция проектов для ЧМИ в проект STEP 7 облегчает автоматическое связывание проектов для контроллера и операторского интерфейса, ускоряет проектирование и позволяет избежать ошибок, связанных с раздельным использованием программ. В полной мере эти преимущества проявляются при использовании системы проектирования PCS7, в основе которой также используется STEP 7.

2.5 Выбор ЭВМ

Так как пульт оператора-технолога находится непосредственно в цехе, то к ЭВМ также предъявляются требования по герметичности и пылезащищенности. Предъявляемым требованиям не удовлетворяют широко распространенные и дешевые персональные ЭВМ, поэтому при разработке АСУ ТП был сделан выбор в пользу ЭВМ промышленного образца.

Операторская станция пульта оператора-технолога участка охлаждения сусла в теплообменнике реализована на персональном компьютере в промышленном исполнении ПК HP Сompaq Elite (производства корпорации HP).

ПК HP Сompaq Elite включает новый процессор Intel, созданный на основе передовой технологии, которая автоматически распределяет производственные ресурсы и обеспечивает эффективную работу в многозадачном режиме. Процессор построен на базе Core и содержит следующие изменения:

— встроенный контроллер памяти, поддерживающий 2 или 3 канала DDR3 SDRAM или 4 канала FB-DIMM;

— новая шина QPI;

— возможность выпуска процессоров со встроенным графическим процессором;

— добавлен кэш третьего уровня:

— добавлена поддержка SMP (организация двух логических ядер и одного физического).

Компьютер включает блок питания с КПД 89%, что позволяет снизить эксплуатационные расходы, обеспечивая эффективное использование электроэнергии.

Расширенные функции управления в сочетании с процессорами Intel Core и технологией vPro упрощают процедуры развертывания и управления.

ПО HP ProtectTools™ обеспечивает комплексную защиту оборудования, операционной системы, программного и микропрограммного обеспечения.

Полный перечень характеристик компьютера HP Compaq Elite представлен в таблице 2.

Таблица 2 — Характеристики ПК HP Compaq Elite

Интерфейс системы c оператором котельной реализуется посредством ЖК-монитора HP Compaq LE1711. Мониторы HP обладают высоким качеством и надежностью, выдают непревзойденную картинку, которая отличается оптимальной яркостью и контрастом.

Монитор HP Compaq LE1711 позволяет повысить производительность и значительно сократить энергопотребление, а так же обладает хорошими возможностями для регулировки цветовой гаммы, яркости и контрастности.

В комплекте с монитором поставляется отдельный кабель VGA, отдельный шнур питания от сети переменного тока, комплект документации и пользовательский компакт-диск.

Задача обеспечения резервного электропитания реализуется с помощью ИБП APC Smart 1500VA w/PowerChute+ [SUA1500I]. Применение ИБП Smart производства APC повышает уровень защищенности данных благодаря обеспечению надежного электропитания с показателями качества на уровне требований компьютерных сетей и возможностью масштабирования по продолжительности работы от батарей. Эти устройства выпускаются как в корпусах «башня», так и в конструктивном оформлении для монтажа в стойки.

Продолжительность обеспечения нагрузки питанием от аккумуляторов можно легко наращивать и доводить до уровня, который оптимален для конкретного приложения, с использованием дополнительных комплектов батарей. При необходимости к одному устройству ИБП Smart подключается до 10 дополнительных комплектов батарей — этого достаточно для обеспечения нагрузки питанием от аккумуляторов на протяжении более чем 24 часов.

2.6 Описание функциональной схемы автоматизации Регулирование расхода сусла на выходе из теплообменника. Данная система регулирования работает следующим образом. В качестве датчика расхода используется электромагнитный расходомер COPA FXE4000 (поз. 1−1), на выходе расходомера генерируется электрический сигнал (4−20) мА, который поступает на вход микроконтроллера. Сигнал с микроконтроллера поступает на электропневматический позиционер (поз 1−2), который преобразует электрический сигнал в пневматический. Пневматический сигнал с позиционера поступает на пневмоклапан (поз. 1−3), который управляет расходом сусла на выходе из теплообменника, изменяя положение заслонки. Регулирование расхода сусла на выходе из теплообменника необходимо для того, чтобы охлажденное сусло поступало с постоянной определенной скоростью в смеситель, где будет произведено обогащение сусла кислородом. Если следует уменьшить расход сусла, то сигнал с микроконтроллера, поступающий на позиционер, приведет сужению проходного канала в клапане (давление поступающее на клапан опустит заслонку) Контроль давления сусла осуществляется следующим образом, сигнал с датчиков давления МЕТРАН-150 (поз. 2−1,9−1) сигнал 4−20 мА на контроллер SIMATIC S7−300.

Самым важным параметром является температура сусла на выходе из теплообменника, её регулирование происходит за счет регулирование расхода охлаждающей жидкости (воды и гликоля).

Регулирование температуры холодного (поз. 7−1), контроль нагретого (поз. 6−1) гликоля и регулирование температуры холодной воды (поз 4−1), контроль температуры горячей воды (поз 5−1).

Если у охлаждающей жидкости повысится температура, то контроллер вырабатывает сигнал регулирования, который приведет к поднятию заслонок в регулирующих клапанах (поз. 4−3,8−3), что приведет к увеличению расхода охлаждающей жидкости, в следствии чего теплопередача между охлаждающей жидкостью и суслом восстановится в прежних пределах.

Система регулирования работает следующим образом: с датчиков термосопротивления ТСМ Метран-203 (поз. 5−1,6−1) сигнал 0−20 мА поступает на микроконтроллер, который вырабатывает электрический сигнал регулирования, поступающий на электромагнитные позиционеры (поз. 4−2,8−2), они в свою очередь преобразуют электрические сигналы в пневматические.

Пнематический сигнал воздействуя на заслонки регулирующих клапанов Samson 241 (поз. 4−3,8−3), изменяет расход охлаждающей жидкости. Во избежание аварийных ситуаций, необходимо контролировать давление в трубопроводах охлаждающей жидкости. Датчики давления Метран — 150ТА устанавливаем на входе (поз.12−1,14−1) и на выходе (поз. 13−1,15−1) трубопровода охлаждения.

2.7 Структура АСУ ТП охлаждения сусла Под структурой (конструкторской) АСУ ТП понимают совокупность частей (элементов) системы, на которые ее можно разбить по определенным признакам, и путей передачи сигналов между ними.

Структура современной распределенной АСУ ТП должна быть многоуровневой иерархической. В настоящее время в АСУ ТП количество уровней обычно составляет 2 — 4. На втором уровне осуществляется координация управления технологическим оборудованием отделений, подразделений и линий, а также обеспечивается взаимосвязь между ними.

Автоматизация системы управления технологическим процессом варки сусла предусматривается иерархически в трехуровневом режиме.

Нижний уровень реализуется приборами и аппаратными средствами по месту и на местных щитах.

Защитно-блокирующие системы для контроля запуска технологического оборудования так же относятся к нижнему уровню.

Блокировки исполняют роль защитных ограничительных функций, координирующих работу оборудования в рамках технологического процесса участка или целого передела.

Основная задача блокировок состоит в том, чтобы осуществлять запрет на выполнение различными агрегатами команд, которые могут привести к аварии или нарушению технологического процесса. Условия, при которых подобные запреты возникают, определяются заранее и конфигурируются инженерами АСУ ТП с АРМ.

Второй уровень организуется в операторских пунктах с выходом по интерфейсу в общую сеть. Ко второму уровню также относится отдел информационных технологий, который является общим для всех цехов завода «Балтика — Пикра». Принцип построения АСУ ТП принят локальный, по каждым корпусам и отделениям с передачей информации в общую информационную сеть.

Третий уровень является автоматизированными рабочими местами административно-производственного персонала (АРМ АПП).

Проектом предусмотрена организация рабочего места оператора, с выносом на мнемосхему всех цепочек технологической линии. АРМ оператора подключается к общей информационной сети, центральный сервер которой соединен с сервером завода «Балтика — Пикра», обеспечивающим выход в сеть Internet.

На рисунке 2.5 приведена структура АСУ ТП процесса охлаждения сусла.

Рисунок 2.5 — Структура АСУ ТП охлаждения сусла

2.8 Алгоритм работы АСУ ТП Для разработки верхнего уровня АСУ ТП процесса охлаждения сусла используем GENESIS-32.

GENESIS-32 — это программный комплекс, предназначенный для разработки, настройки и запуска в реальном времени систем управления технологическими процессами. Он включает в себя режим разработки АСУ и режим исполнения. При помощи инструментальной системы осуществляется разработка всех проектов. На рисунке 2.6 представлена мнемосхема процесса охлаждения сусла.

Рисунок 2.6 — Мнемосхема процесса охлаждения сусла, разработанная в среде GENESIS32

3. Разработка АСР температуры сусла на выходе теплообменника

3.1 Идентификация теплообменника как объекта управления по каналу регулирования охлаждения сусла

Расчёт ведётся при внешнем ступенчатом возмущающем воздействии амплитудой ДX_вх = 2% хода регулирующего органа (ХРО).

Экспериментальные данные приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Ординаты экспериментальной кривой разгона объекта при ДX_вх = 2% ХРО

График возмущающего воздействия X (t) и кривая разгона объекта — температура сусла на выходе из теплообменника? T (t), представлены на рисунке 3.1

Единичная T⁰(t) и нормированная T^Н(t) переходные функции определяются по следующим формулам:

Т⁰(t) = Т (t) / A, (3.1)

Т^Н(t) = Т⁰(t) / Т⁰(T_у). (3.2)

где A — скачкообразное возмущающее воздействие, при котором снята переходная характеристика (А = 2%ХРО);

T_у — время переходного процесса;

T⁰(T_у) — установившееся значение переходной характеристики (T⁰(T_у) = 1,6 °C/ХРО).

Рисунок 3.1 — Возмущающее воздействие и экспериментальная кривая разгона объекта Результаты расчётов единичной и нормированной переходных функций сведены в таблицу 3.2.

На рисунке 3.2 приведена единичная переходная характеристика объекта, а на рисунке 3.3 — нормированная переходная характеристика.

Таблица 3.2 — Ординаты единичной и нормированной переходных функций объекта

Рисунок 3.2 — Единичная переходная характеристика объекта Рисунок 3.3 — Нормированная переходная характеристика объекта Из зависимости T⁰(t) находится величина коэффициента усиления объекта K_об:

K_об = T⁰(T_у) = 1,6 °С/% ХРО. (3.3)

Определим динамические характеристики объекта при аппроксимации его последовательным соединением апериодического звена и звена запаздывания.

Транспортное запаздывание объекта определяется как отрезок времени (0;), на котором выполняется неравенство:

0 T^н(t) ,

где = (0,01.0,02) T^н(t_у).

Тогда по таблице 3.2 определяем = 100 с;

Дополнительное запаздывание _д находится по формуле:

(3.4)

где = (0,1ч0,15) и = (0,7ч0,8);

и ;

(t_Б,) и (t_А,) — точки пересечения аппроксимированной и экспериментальной кривых разгона.

По графику на рисунке 3.3 определяем значения t_А = 190 с при =0,2 и

t_Б = 512 с при =0,8.

Таким образом, дополнительное запаздывание будет:

Найдем общее запаздывание объекта по формуле:

_об = + _д; (3.5)

_об=100 + 37,687 = 137,69 с.

Постоянная времени объекта определяется из следующего выражения:

(3.6)

с.

Аппроксимирующая передаточная функция объекта определяется по формуле:

(3.7)

Таким образом, аппроксимирующая передаточная функция объекта имеет вид:

Для определения точности аппроксимации экспериментальной переходной функции решением дифференциального уравнения первого порядка с запаздывающим аргументом рассчитываются ординаты аппроксимирующей кривой:

(3.8)

Для определения среднеквадратической ошибки аппроксимации вычисляется отношение d_An

(3.9)

Результаты расчётов сведены в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 — Ординаты переходных функций

На рисунке 3.4 изображён график переходной характеристики объекта при аппроксимации решением дифференциального уравнения первого порядка вместе с нормированной переходной характеристикой.

Рисунок 3.4 — Переходная характеристика объекта при аппроксимации решением дифференциального уравнения первого порядка и нормированная переходная характеристика По данным таблицы 3.3 рассчитывается среднеквадратичная ошибка аппроксимации по формуле (3.10)

(3.10)

Погрешность аппроксимации удовлетворительная (< 3%), поэтому окончательно принимаем аппроксимацию объекта дифференциальным уравнением первого порядка.

3.2 Выбор закона регулирования АСР температуры сусла на выходе из теплообменника

Показатели качества регулирования АСР, определяемые технологическим процессом:

— время регулирования t_р? 600 с;

— динамическое отклонение ДT₁ = 1,1 єC;

— статическая ошибка ДT_cт. = 0єC;

— требуемый характер переходного процесса — с 20% перерегулированием.

Для выбора закона регулирования (типа регулятора) воспользуемся аппроксимацией объекта решением дифференциального уравнения первого порядка с запаздывающим аргументом.

Исходными данными для определения настроек регулятора являются:

— параметры объекта управления — K_об = 1,6 °C/ХРО, T_об = 234,438 с, ф_об = 137,69 с;

— требования к качеству переходного процесса в АСР, приведенные выше.

Тип регулятора ориентировочно выбирается по отношению ф_об/T_об по таблице 2.1.

ф_об/T_об = 137,69/234,438 = 0,587 < 1,

следовательно, выбираем непрерывный регулятор.

Для получения требуемого качества переходного процесса (в пределах допустимых значений T₁, t_р и ДT_cт) необходимо выбрать закон управления, для этого рассчитаем динамический коэффициент регулирования:

(3.12)

По графику 2.3 для переходного процесса с 20% перерегулированием выбирается простейший закон управления, обеспечивающий значение R_д ниже расчетного. Для R_д = 0,1375 и ф_об/T_об = 0,587 только ПИД-закон регулирования обеспечивает такое значение.

Далее необходимо провести проверку, обеспечит ли выбранный регулятор допустимое время регулирования, по графику на рисунке 2.4. Для ПИД-закона регулирования, откуда время регулирования, что меньше допустимого времени регулирования t_р = 600 c.

Выбранный закон управления гарантирует отсутствие статической ошибки, то есть ДTст = 0.

Таким образом, окончательно выбираем ПИД-закон регулирования.

3.3 Определение настроек регулятора АСР температуры сусла на выходе из теплообменника

Расчёт настроек регулятора может выполняться следующими способами:

— графо-аналитическим на основе амплитудно-фазовой характеристики объекта и М-критерия (показателя колебательности);

— по расширенным амплитудно-фазовым характеристикам;

— по приближенным формулам;

— с помощью математического моделирования.

На практике настройки регуляторов определяют обычно по приближённым формулам (таблица 2.2 [6]), а затем производят их уточнение.

Настройки ПИД-регулятора по приближённым формулам для процесса с минимумом интегрального квадратичного критерия имеют следующие значения:

(3.13)

(3.14)

. (3.15)

.

Уточнение настроек регулятора произведём в среде MATLAB с помощью встроенного пакета Simulink. Модель автоматической системы регулирования в Simulink представлена на рисунке 3.5.

Для задания настроек встроенного в Simulink ПИД-регулятора необходимо перевести значения времени интегрирования и времени предварения в значения коэффициентов интегральной и дифференциальной составляющих ПИД-закона регулирования:

— коэффициент пропорциональной составляющей K_п = K_р = 1,277 ;

— коэффициент интегральной составляющей K_и =K_р/T_и = 0,464;

— коэффициент дифференциальной составляющей K_д = K_р•T_д = 70,34 .

Рисунок 3.5 — Модель одноконтурной системы автоматического регулирования для оптимизации настроек ПИД-регулятора Задали в командной строке MATLAB значения коэффициентов составляющих закона регулирования.

После моделирования в Simulink получается переходной процесс, изображённый на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 — Переходной процесс при возмущении по нагрузке 2% ХРО при исходных настройках регулятора Для оптимизации настроек регулятора в блоке Signal Constraint задали ограничения на вид переходного процесса (рисунок 3.7), указали параметры Kp, Ki и Kd в качестве настраиваемых. После этого запустили процесс оптимизации.

Рисунок 3.7 — Оптимизация параметров регулятора в блоке Signal Constraint пакета Simulink Response Optimization

В результате получается переходный процесс, изображённый на рисунке 3.8.

Для получения значений настроек регулятора в командной строке MATLAB вводится команда:

>>Кp, Ki, Kd.

В результате в рабочее окно будут выведены оптимизированные значения настроек регулятора:

Kp =1.374,

Ki =0.667,

Kd = 60.46.

В результате оптимизации были получены следующие настройки ПИД-регулятора:

— коэффициент усиления регулятора K_п = K_р = 1,374 ;

— время изодрома T_и = K_р/ K_и =205,997 с;

— время предварения T_д = Kd/Kp = 44,0029 с.

Рисунок 3.8 — Переходной процесс при возмущении по нагрузке при оптимальных настройках регулятора Определим параметры переходного процесса при оптимальных настройках:

— максимальное динамическое отклонение

ДT₁ = 0,94· 5 = 4,7 єC/%ХРО;

— перерегулирование

;

— статическая ошибка T_ст = 0;

— время регулирования t_р = 590 с.

3.4 Проверка на устойчивость АСР температуры сусла на выходе из теплообменника