Проект автоматизации процессов ферментации и концентрирования кормовых дрожжей

 

 

Федеральное агентство по образованию

 

ГОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Факультет: химико-технологический заочно-дистанционного образования

 

Кафедра: автоматизации производственных процессов

 

 

 

 

ПРОЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ФЕРМЕНТАЦИИ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

 

 

Пояснительная записка

(АПП.000000.018 ПЗ)

 

 

 

Дипломник        И.В. Дьяков

Зав. кафедрой        П.М. Гофман

Руководитель        С.Л. Карпенко

Консультанты:

Технологической части      С.Л. Карпенко

Конструкторской части      В.Ф. Тарченков

Научно-  
исследовательской части      П.М. Гофман

В.А. Драчев

С.С. Бежитский

В.Н. Тяпкин

Безопасности 

и экологичности проекта      В.А. Рогов

Экономической части       Н.Я. Ледяева

Нормоконтроль        В.Ф. Тарченков

 

 

Федеральное агентство по образованию

 

ГОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет: химико-тенологический заочно-дистанционного обучения

Кафедра: автоматизации производственных процессов

 «УТВЕРЖДАЮ»

«9» ноября 2009 г.

Зав. кафедрой ___________

        (подпись)

Задание

НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

студенту

Дьякову Ивану Владимировичу

Тема:

Проект автоматизации процессов  ферментации и

концентрирования кормовых дрожжей

Тема конструктивной части

Утверждена приказом по университету

«

»

2009

г.

№

Срок сдачи студентом  законченного проекта (работы)

«

»

2010

г.

Место преддипломной  практики

Исходные данные к  проекту (работе)

материалы преддипломной практики

Содержание расчетно-пояснительной записки, перечень графического материала

Пояснительная записка:

1 Технико-экономическое обоснование;

2 Специальная часть;

3 Безопасность и экологичность  проекта;

4 Основные технико-экономические  показатели.

Графическая часть:

Схема автоматизации;

Схема структурная АСУТП;

Схема электрическая принципиальная питания;

Схема пневматическая принципиальная питания;

Схема электрическая принципиальная подключения;

Щит автоматизации. Общий вид;

Схема соединений внешних проводок;

Рабочее  место оператора

Моделирование процесса регулирования  давления оборотной воды в трубопроводе

Таблица технико-экономических покозателей

 

 

 

Консультанты по проекту (с указанием  относящихся к ним разделов):

 

1 Технологической части	-	доцент Должиков В.А
2 Конструкторской части	-	доцент Тарченков В.Ф.
3 Научно-исследовательской части	-	доцент Гофман П.М. доцент Драчев В.А. доцент Тяпкин В.Н. доцент Бежитский С.С. доцент Пен В.Р
4 Безопасность и экологичность	-	доцент Рогов В.А.
6 Экономической части	-	доцент Ледяева Н.Я
7 Нормоконтроль	-	доцент Тарченков В.Ф.

 

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

 

№  по порядку	Наименование отдельных  разделов и чертежей	Сроки		Количество		Процент выполнения, %		Дата контроля
		начала	окончания	кол-во текстового материалов, стр.	листов чертежей	по плану	фактическое
1	Технико-экономическое  обоснование.	09.11.09	12.11.09	2		2	2	13.11.03
	Схема автоматизации, структурная  и
	принципиальные схемы.	10.11.09	25.12.03		3.5	15	15	26.12.09
2	Специальная часть. Общий  видщитов.
	Таблицы соединений и  подключения.
	Схема соединений внешних  проводок;	25.12.09	25.01.10	110	3	55	55	26.01.10
3	Безопасность и экологичность	5.01.10	3.02.10	20	1	13	13	4.02.10
4	Экономика	4.02.10	14.02.10	10	1	10	10	15.02.10
5	Нормоконтроль и рецензирование	15.02.10	18.02.10	-	-	5	5	18.02.10

 

 

Защита	«___» февраля  2010г.	Задание выдано «9»  ноября  2009г.
Руководитель		Карпенко С.Л
Дипломник		Дьяков И.В

 

 

Реферат

В дипломном проекте приведены  результаты системы автоматического управления процессом производства и концентрирования кормовых дрожжей.

Предлагаемая система  управления выполнена на базе промышленного контроллера ADAM-5511 фирмы Advantech c передачей информации на операторские ПЭВМ.

Дипломный проект содержит расчетно-пояснительную записку из 180 страниц текста, 27 таблиц, 35 рисунков, 89 литературных источников и графическую часть из 8 листов формата A1.

 

Содержание

Введение 7

1 Технико-экономическое обоснование 8

2 Специальная часть 10

2.1 Характеристика объекта автоматизации 10

2.2 Организационная, функциональная и техническая структура АСУТП 16

2.3 Выбор аппаратного и программного обеспечения……… ……21

2.4 Проектирование системы управления 42

2.5 Расчет надежности контура регулирования 57

2.6 Расчет исполнительного устройства 60

2.7 Расчет электропривода 63

2.8 Монтаж и эксплуатация систем автоматизации 70

2.9 Пояснение к графической части проекта 83

3 Безопасность и экологичность  проекта 93

3.1 Безопасность производственной деятельности 93

3.2 Производственная санитария и гигиена труда 102

3.3 Противопожарные мероприятия 106

3.4 Экологичность проекта 108

3.5 Безопасность в чрезвычайных  ситуациях 110

4 Экономические расчеты 115

4.1 Расчет эффективного фонда времени работы оборудования 115

4.2 Расчет годовой производительности оборудования 115

4.3 Расчет капитальных вложений на проведение автоматизации 116

4.4 Изменение численности персонала и фондов заработной платы 118

4.5 Расчет эффективного фонда времени одного среднесписочного рабочего 118

4.6 Расчет изменения фонда зарплаты рабочих 123

4.7 Расчет изменения годового фонда зарплаты рабочих 124

4.8 Расчет изменений фонда зарплаты цехового персонала 126

4.9Расчет изменения амортизационных отчислений на средства автоматизации 127

4.10 Определение изменения производительности труда 128

4.11 Расчет эффективности автоматизации технологического процесса 128

4.12 Выводы 131

Заключение 132

Библиографический список 133

Приложение А. Спецификация оборудования, изделий и материалов 143

Приложение Б. Щит автоматизации. Таблица соединений проводок 166

Приложение В. Щит автоматизации. Таблица подключения проводок 176

 

Введение

 

Автоматизация — это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем.

Одним из решающих факторов повышения  производительности труда является автоматизация производства. В связи  с этим за последние годы резко  возрастает необходимость автоматизации  технологических процессов во всех отраслях производства. Эффективность внедрения систем и устройств автоматизации и управления зависит не только от степени оснащения производства, но в значительной мере определяется качеством их наладки и степенью оптимальности выбранных параметров настройки системы. Техническая оснащённость средствами автоматизации предприятий неуклонно растёт. Обеспечение достоверности информации и высокого качества работы всей аппаратуры требует серьёзной подготовки всего рабочего персонала и особенно цехов автоматики и технических измерений.

Автоматизация приводит к улучшению основных показателей эффективности производства: увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих и так далее.

Задача дипломного проекта — максимально использовать возможности последних разработок и полностью автоматизировать систему управления процесса производства и концентрирования кормовых дрожжей.

 

1 Технико-экономическое обоснование  проекта

 

Объектом автоматизации является процесс ферментации и концентрирования кормовых дрожжей на ОАО «ХМЗ». По характеру протекания процесс является непрерывным.

Существующая система автоматизации  процесса ферментации и концентрирования кормовых дрожжей находится на низком уровне. Контуры регулирования, которые автоматизированы, обслуживаются устаревшими приборами, обслуживание и ремонт которых занимает длительное время, а возможность интегрировать их в информационную сеть предприятия отсутствует вовсе.

Внедрение распределенной автоматизированной системы управления процессом  ферментации и концентрирования дрожжей позволит повысить эффективность управления технологическим процессом за счет более высокой точности и быстродействия. Классы точности внедряемых датчиков: 0,25; 0,5.

Проектируемая система управления технологическим процессом реализована  на технических средствах в промышленном исполнении с унифицированными выходными сигналами (4÷20 мА), что позволяет существенно снизить погрешность и повысить надежность системы. Наработка на отказ внедряемых приборов (до 150000 ч) на порядок превышает наработку на отказ существующих (50000 ч). Внедрение данных технических средств позволит увеличить интервалы между капитальными ремонтами до 2-х лет.

В результате внедрения современной  распределенной системы управления будет достигнуто более точное соблюдение технологического регламента.

В результате автоматизации ожидается:

- увеличение фонда времени за  счет сокращения времени на  текущий ремонт и устранения  аварийных ситуаций, что приведет  к увеличению объемов производства  на 306 тонн в год.

- Сокращение фондов заработной  платы, за счет сокращения рабочего  персонала на 18 человек, т.к. новые средства автоматизации требуют меньше времени на обслуживание и ремонт.

В итоге себестоимость производства годового выпуска дрожжей уменьшится, что обеспечит высокие конкурентные преимущества для предприятия. Подробный расчет технико-экономических показателей произведем в третьем разделе данного проекта.

 

2 Специальная часть

 

2.1 Характеристика объекта автоматизации

2.1.1 Описание технологического  процесса

 

В настоящее время в  производственных условиях применяется  большое количество различных вариантов технологического процесса ферментации и концентрирования дрожжей. Технологические процессы производства дрожжей являются непрерывными.

Подготовленное сусло подается в дрожжерастительный аппарат (поз.1).. Воздух, необходимый для выращивания дрожжей, сжимается до 200 кгс/см², очищается в фильтрах от пыли и микроорганизмов и подается в дрожжерастительный аппарат. В этот же аппарат поступает аммиачная вода для поддержания оптимального рН и засевные или подсевные дрожжи для поддержания в среде определенной культуры дрожжей, а также необходимой концентрации их. Процесс выращивания дрожжей происходит в дрожжерастильном аппарате, емкостью 1300 м³ с эрлифтной многозонной системой воздухораспределения. Непрерывный процесс дает возможность поддерживать постоянные условия культивирования и отбора биомассы. Дрожжерастительный аппарат представляет собой вертикальный стальной цилиндр. Внутри аппарата установлено четыре диффузора, которые создают четыре циркулирующих потока. Через коллектор сжатый воздух подается в вертикальные трубы каждого диффузора. Внизу эти трубы оканчиваются конусом и кюветой. В кювету по трубе подается разбавленное сусло. Сусло, переливаясь через край кюветы, смешивается с воздухом, выходящим через щели под кюветой. Образовавшаяся пена поднимается вверх по диффузору и, разрушаясь, стекает вниз. Таким образом достигается многократная циркуляция жидкости в аппарате. Выращивание дрожжей происходит при интенсивной подаче воздуха, в пенной среде, способствующей их быстрому размножению и росту. При работе дрожжерастительного аппарата температура жидкости в нем поддерживается в пределах 36–38 ^оС. При выращивании дрожжей выделяется значительное количество тепла, составляющее от 2500 до 3200 кал на 1кг абс. сухих дрожжей, и температура среды может подняться выше допустимой. Отводят тепло путем подачи воды в змеевик двустенного диффузора и орошения водой поверхности аппарата.

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

Ферментационный процесс осуществляется при следующих параметрах:

- температура, ⁰С        36 – 38;

- кислотность среды, рН     4,4;

- продолжительность ферментации, ч   4 – 6;

концентрация:

- биомассы, г/л      0 – 35;

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

- азота, мг/л       150 – 170.

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

Параметры работы ферментатора объемом 1300 м³ следующие:

- рабочий объем ферментатора, м³    350 – 400;

- расход ОКЖ, м³/ч      200 – 300;

- дебит, ч-¹         1,4 - 3,0;

- расход воздуха, тыс. м³/ч    20;

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

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

 

Таблица 2.1 — Параметры технологического процесса

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

 

Продолжение таблицы 2.1

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

 

Продолжение таблицы 2.1

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

 

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

 

2.1.2 Основные функции  проектируемой системы контроля  и управления

 

Проектируемая система контроля и  управления обеспечивает выполнение следующих функций:

1. управляющие функции, выполняемые автоматически:

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

2) информационные функции, выполняемые  оперативно:

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

3) функции, выполняемые обслуживающим персоналом АСУ ТП:

- регистрация дефектов, не обнаруженных системой;

- проверка правильности функционирования технических и программных средств АСУ ТП;

- корректировка в регламентируемых пределах динамических настроек и установок.

 

2.1.3 Анализ существующей системы управления

 

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

 

2.1.4 Выводы и задачи проекта

 

В результате анализа объекта автоматизации  выявлены такие проблемы как

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

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

Задачи проекта:

- организация современной системы управления с применением комплексных технических средств;

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

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

- выбор информационного, математического и программного обеспечения АСУТП;

- оценка эффективности предлагаемых решений по автоматизации.

 

2.2 Организационная, функциональная и техническая структура АСУТП

2.2.1 Обоснование принятой системы  управления объектом

 

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

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

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

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

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

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

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

В данной системе предусмотрены три вида управления:

- супервизорное - управление с помощью рабочей станции оператора;

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

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

 

2.2.2 Обоснование выбора технических средств АСУ ТП

 

При выборе наиболее предпочтительного  варианта технических средств для

системы, учитывают основные требования:

- технологические;

- системные;

- экономические;

- монтажно-эксплуатационные.

 

2.2.2.1 Технологические требования:

 

а) по виду измеряемого параметра:

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

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

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

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

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

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

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

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

д) по месту установки прибора или отборного устройства;

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

 

2.2.2.2 Системные требования