Проектирование системы автоматизации

     Введение 

     Автоматизация производства, процесс в развитии, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся  человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Она - основа развития современной  промышленности, генеральное направление  технического прогресса. Цель заключается  в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой  продукции, в создании условий для  оптимального использования всех ресурсов производства. Автоматизация любой промышленности является одним из эффективных средств повышения производительности труда, качества продукции, рентабельности производства. Гибкая автоматизация производства способствует, кроме того, адаптации предприятий к условиям рыночной экономики, увеличению уровня их конкурентоспособности. Нельзя недооценивать и её влияние на повышение интеллектуального уровня производительных сил общества. Автоматизация производственных процессов — генеральное направление развития народного хозяйства.

     Она открывает неограниченные возможности  для повышения производительности общественного труда. Механизация  и автоматизация производства может  дать наибольший экономический эффект только при условии, что все работники  промышленности творчески подойдут к решению поставленных перед  ними задач и каждый внесет свой посильный вклад в развитие технологического процесса. А для этого нужно, чтобы  инженеры, техники и рабочие четко  представляли реальный эффект, который  дает механизация и автоматизация  в производственных условиях, могли  правильно ориентироваться в  выборе наиболее рационального, экономически эффективного варианта и технических  средств автоматизации.

     Требования  к надежности стерилизационных мероприятий  во всех странах возрастают. Об этом свидетельствует тот факт, что  в последние годы принят ряд важных международных, европейских и национальных стандартов по стерилизации. Не явилась исключением и наша страна. Впервые при Комитете по стандартизации был создан технический комитет по стерилизации. Первые российские стандарты, запланированные к разработке в 1997-99 годах, касаются вопросов контроля над стерилизацией.

     Контрольно-измерительные  приборы, которыми оснащаются все стерилизаторы, позволяют фиксировать температуру и давление в стерилизационной камере. Достоинство этих приборов в том, что они позволяют оперативно отслеживать важнейшие для стерилизации параметры и регистрировать эти значения в документации. Однако это требует постоянного присутствия медицинского персонала в течение всего цикла стерилизации.

     Основное  оборудование процесса биосинтеза: ферментеры, емкостные аппараты, трубопроводы, запорно-регулирующая арматура, – необходимо изготавливать из высококачественной нержавеющей стали. Круглосуточное обеспечение культуры в ферментере стерильным воздухом, поддержание стабильной температуры, большой расход пара во время стерилизации требуют обеспечения надежной работы автоматизированного оборудования, дистанционный контроль над работой технологических объектов и их состоянием.

     Для получения высокой эффективности процесса ферментации важное значение имеет обеспечение стерильности. При заражении промышленной культуры посторонней микрофлорой выход продукта ферментации равен нулю, а экономические потери максимальные. Поэтому гарантированному обеспечению стерильности следует уделять особое внимание.

     Успешный  процесс стерилизации ферментера зависит от строгого контроля и поддержания в заданном режиме таких параметров как давление и температура.

     К сожалению, в АСУ ТП, как правило, отсутствуют функции управления подготовительными стадиями процесса ферментации, в том числе стадией  стерилизации. Между тем проведение сверхнормативных стадий стерилизации (после остановок производства по аварийным или организационным причинам) связано со значительными затратами, а производственные потери ценного сырья и энергоресурсов от них могут быть велики.

     Снижение  затрат времени на стерилизацию достигается  за счет автоматизации процесса. Принятая в России практика стерилизации ферментера включает в себя, как правило, две стерилизации. Первая – стерилизация аппарата с водой в очень жестком режиме (обычно при температуре 135°С в течение 2 часов). Вторая – стерилизация питательной среды в аппарате. Она проводится в более мягком режиме для сохранения ростовых свойств питательной среды (обычно при температуре 115 – 121°С в течение 30 минут).

     Современные зарубежные ферментеры стерилизуются однократно вместе со стерилизацией питательной среды (обычно при температуре 121^OС в течение 15 – 30 минут). При этом надежность стерилизации достигается за счет лучшего конструктивного исполнения критических узлов ферментера, качества их изготовления и автоматизации процесса. Последняя позволяет исключить влияние человеческого фактора и проводить стерилизацию в оптимальном режиме. В этом случае достигается значительное снижение затрат времени и энергии на подготовку ферментера.

     Низкий  уровень автоматизации в период проведения подготовительных работ ведут к неоправданному износу технологического оборудования и нерациональному расходованию всех видов производственных ресурсов. Оказывают негативное психофизиологическое воздействие на обслуживающий персонал ввиду того, что основная нагрузка по принятию решений о переключениях исполнительных механизмов, контроль средств  КИПиА падает на операторов, существенно превышая обычный уровень, что может привести к ошибкам операторов, к потере стерильности и выводу оборудования из строя. Возникает задача оптимизации режимов проведения стерилизации по следующим критериям:

• минимизация времени проведения стадии;
• уменьшение износа технологического оборудования и снижение потерь прибыли, связанных с неоптимальностью работы системы ферментации во время стерилизации и при смене технологического режима;
• повышение качества стерилизации.

     Отметим, что оптимальное управление стерилизацией  и подготовительными стадиями вообще требует минимальных капиталовложений в материальное обеспечение, так как реализуется с использованием существующей системы управления.

     Применяемая до настоящего времени САУ процесса стерилизации ферментера построена на морально устаревших приборах, которые не обеспечивают достаточно надежной работы и требуемой точности регулирования. Используемая запорная и регулирующая арматура, требует больших трудовых затрат на обслуживание и не зарекомендовала себя по необходимому ресурсу работы в существующих условиях и обеспечению герметичности перекрытия потока, что снижает безопасность ведения технологического режима на производстве и оперативность управления объектом автоматизации в критических ситуациях. 
 

     1 Постановка задачи 

1.   Цели создания системы

     Автоматизация процесса биосинтеза определяется наличием САУ  основной стадии этого производства - ферментации антибиотика. Причем уровень автоматизации позволяет вести непрерывный контроль параметров процесса (измерение, сигнализация) и осуществлять автоматическое регулирование параметров процесса, но не обеспечивает автоматическую смену отдельных стадий производства (переключение между вспомогательными операциями). Переключение между ними осуществляется вручную операторами-технологами, так как считается, что эти операции автоматизировать нецелесообразно.

     С развитием вычислительной техники  и повышением надежности КИПиА и средств автоматизации стало возможным и экономически выгодным автоматизировать различные вспомогательные операции.

     Система управления должна быть спроектирована таким образом, чтобы в дальнейшем интеграция с другими (автоматизированными  и неавтоматизированными) стадиями процесса биосинтеза, а также включение  в систему управления технологических  аппаратов, не автоматизируемых на этом этапе, не представляло трудностей.

     Основными целями создания системы управления являются:  

• повышение надежности функционирования технологического процесса и оборудования за счет внедрения системы автоматизации;
• снижение материальных и энергетических затрат за счет повышения оперативности и точности управления;
• минимизация материальных затрат при  обеспечении заданной производительности установки.

     1.2 Объемы автоматизации 

     1.2.1 Технологическое оборудование 

     Система управления охватывает следующие основные технологическое оборудование:

• ферментер;
• фильтр воздушный;
• трубопроводы;
• запорно-регулирующая арматура.

Рисунок 1.1 - Ферментер

     На  рисунке 1.1 обозначены: 1 — корпус; 2 — паровая рубашка; 3 — барботёр; 4 — мешалка; 5 — отбойник; 6 — электропривод; 7 — загрузочный люк.

     Ферментер - аппарат для выращивания (культивирования) микроорганизмов в питательной среде в условиях стерильности, непрерывного продувания стерильным воздухом и постоянной температуры. Представляет собой герметичный цилиндрический сосуд – корпус, снабженный барботёром для подачи стерильного воздуха и мешалкой с электроприводом. Внутри ферментера вдоль его корпуса и перпендикулярно к нему закрепляют узкие металлические полосы – отбойники для повышения эффективности перемешивания. Объём ферментера промышленного использования – 50–100 м³. Сделан из нержавеющей стали, и имеют паровую рубашку для стерилизации и поддержания температуры. Как правило, оборудуются устройствами для измерения и регулирования температуры, количества продуваемого воздуха и давления внутри. В случае необходимости дополнительно снабжается устройствами для измерения и регулирования pH среды, концентрации растворённого кислорода в культуральной жидкости, углекислого газа в выходящем воздухе, сигнализатором уровня пены и приспособлениями для механического или химического пеногашения. При непрерывном процессе культивирования микроорганизмов дополнительно оборудуются стерилизуемыми резервуарами для хранения компонентов питательной среды и насосами для их непрерывной подачи в ферментер. Используют в промышленности при микробиологическом синтезе антибиотиков, витаминов, аминокислот, нуклеотидов, белково-витаминных концентратов и т.д., в научных исследованиях в области микробиологии, биохимии и др. родственных дисциплин. 
 
 

     1.2.2 Функции системы 

     На  стадии стерилизации ферментера основной функцией управления является функция программно-логического управления, то есть обеспечение заданной последовательности выполнения операций. Она реализуется путем переключения в определенной последовательности запорно-регулирующей арматуры, установленной на трубопроводах технологической обвязки ферментера по завершении временных интервалов поддержания ТП. Таким образом, система управления стадией стерилизации функционирует по разработанной с учетом технологии производства циклограмме переключения управляющих элементов (клапанов, насосов и др.).

     Система предназначена для реализации следующих групп функций:

1. контроль температуры элементов обвязки в ферментере и на выходе;
2. контроль давления внутри ферментера;
3. оперативный контроль и автоматическое управление установкой с экранов рабочих станций и  операторских панелей;
4. предупредительная и аварийная сигнализация при выходе технологических параметров за нижние и верхние пределы установленных технологических и аварийных границ; 
5. представление информации операторам-технологам в виде мнемосхем, панелей контроля и регулирования, графиков, протоколов событий,  таблиц, текстовых сообщений;  
6. автоматическое  протоколирование по мере возникновения событий следующих классов:

• сообщений о действиях оператора-технолога;
• системных сообщений;
• сообщений о нарушениях и отклонениях в ходе технологического  процесса;

7. формирование протокола развития предаварийной ситуации;
8. формирование протокола возникновения неисправностей оборудования и приборов КИПиА;
9. архивирование оперативной и отчетной информации в течение заданного времени  для анализа технологическим персоналом;
10. обеспечение входа в систему по паролям и разграничение уровня доступа к ресурсам;
11. отображение и архивирование информации о функционировании системы стерилизации;
12. взаимодействие с контроллерной подсистемой управления;
13. отображение диагностической информации о состоянии составных частей системы и линий связи;
14. ведение протокола нарушений и технологического журнала;
15. ведение протокола работы системы и действий оператора;
16. возможность управления оператором работой установки в «ручном» режиме.

     2 Описание технологического  процесса 

     2.1 Характеристика объекта автоматизации 

     Объект  автоматизации располагается на территории ОАО "Акционерное Курганское общество медицинских препаратов и изделий "Синтез" (ОАО "Синтез") в г. Курган Курганской области России.

     За  цикл работы ферментера необходимо переключить десятки единиц запорной арматуры, причем в случае ошибочного изменения порядка переключения нарушается стерильность, что ведет к снижению выхода целевого продукта. Управление вручную — одна из причин потерь продукта. Кроме того, оно связано с большими затратами труда и времени, то есть со снижением производительности ферментера.

     Информация  о состоянии технологических  параметров процесса снимается с  датчиков, расположенных внутри ферментера и входящих в состав запорно-регулирующей арматуры.

     Основные технологические параметры, имеющие значение для стадии стерилизации являются:

• температура элементов обвязки в ферментере и на выходе;
• давление внутри ферментера.

     В соответствии с протекающими в ферментере теплообменными процессами между технологическими параметрами существует следующая связь:

• нагрев острым паром ведет к повышению температуры на соответствующих элементах обвязки на выходе из ферментера;
• охлаждение ферментера холодной водой ведет к снижению температуры и давления внутри аппарата.

     Исходя  из этого, можно определить входные  параметры, имеющие значение для  процесса стерилизации:

• расход воздуха   F_В;
• расход пара F_П;
• температура пара Т_П;
• температура охлаждающей воды Т_охл;
• расход охлаждающей воды G_ОВ.

     И выходные параметры:

• температура среды в ферментере Т_Ф;
• температура элементов трубопроводной обвязки (штуцер) на выходе из ферментера Т_Ш;
• давление внутри ферментера P.

Рисунок 2.1 - Ферментер как объект автоматизированного управления 

     Исходными данными для проектирования системы  автоматизированного управления является количество  технологических параметров (каналов), которые необходимо контролировать (входные каналы САУ) или с помощью  которых необходимо осуществлять регулирование (выходные каналы САУ):

• аналоговых входных каналов:  16;
• аналоговых выходных каналов:  8;
• дискретных входных каналов: 32;
• дискретных выходных каналов: 32.

       Кроме этого  при проектировании  необходимо учитывать следующие  факторы:

• создаваемая система автоматизированного управления будет работать совместно с САУ ферментации;
• использование датчиков и исполнительных механизмов от САУ ферментации;
• автоматизации подлежит периодический процесс, проводящийся один раз в 240 часов;
• существенные экономические потери, связанные с нарушением регламента процесса;
• наличие не взрывопожароопасного производства;
• размещение объекта управления на небольшой территории;
• возможность наращивания производства за счет добавления новых ферментеров.

     2.2 Технологический  процесс 

     Антибиотики (от греч. and-приставка, означающая противодействие, и bios-жизнь), вещества, синтезируемые микроорганизмами, и продукты химической модификации этих веществ, избирательно подавляющие рост патогенных микроорганизмов, низших грибов, а также некоторых вирусов и клеток злокачественных новообразований.

     Большинство антибиотиков получают в промышленности микробиологическим синтезом - в ферментерах  на специальных питательных средах.

     Антибиотики применяются для лечения болезней человека и животных, защиты растений, в животноводстве для улучшения роста и развития молодняка, в пищевой промышленности при консервировании продуктов.

     Антибиотик, представляющий собой сложное органическое соединение, отличается высокой чувствительностью  к внешним воздействиям, неустойчивостью в растворах. Существенное повышение температур, длительное пребывание антибиотика в щелочной или кислой среде, контакт с окислителем и т.д. приводят к химическим изменениям, превращающим антибиотик в биологически неактивное вещество.

     Для производства антибиотика используется аппараты и трубопроводы, изготовленные  из коррозионно-устойчивых, не загрязняющих продукт материалов (как правило, это нержавеющая сталь).

     Процесс биосинтеза антибиотиков состоит из следующих стадий:

• подготовка оборудования (стерилизация) и питательной среды для процесса биосинтеза;
• подготовка посевного материала;
• загрузка питательной среды в ферментер;
• совместная стерилизация питательной среды и оборудования;
• загрузка посевного материала;
• процесс ферментации антибиотика;
• выгрузка и очистка продукта;
• складирование продукта.

     Важной  особенностью производства антибиотиков, на всех технологических стадиях, являются весьма высокие санитарные требования. Соблюдение высокой степени чистоты помещений и оборудования, систематическая промывка и дезинфекция представляют собой необходимую предпосылку получения продукта высокого качества.

     Функциональная  схема автоматизации стадии стерилизации ферментера представлена в приложении А.

     В функциональную схему процесса ферментации  антибиотиков входят:

• емкость стерильных подпиток Е1;
• сборник стерильного пеногасителя Е2;
• сборник кислоты Е3;
• сборник щелочи Е4;
• воздушный фильтр ФВ;
• теплообменник Т1;
• насосы перистальтические НП1-4;
• трубопроводы;
• запорно-регулирующая арматура.

     Перед процессом биосинтеза антибиотиков ферментер Ф1 подвергается тщательному осмотру и производится серия проверок, определяющих степень его работоспособности. Перед каждой загрузкой питательной среды его промывают горячей водой, проверяется работа мешалки и барботёра, а также исправность КИП. Затем осуществляется проверка герметичности ферментера и прилегающих к нему коммуникаций давлением сжатого воздуха. При соблюдении всех требований начинается стерилизация пустого аппарата.

     Ферментер нагревается до 90⁰C острым паром, подаваемым по трубопроводам через термозатворы, глухие штуцера и барботёр. Во время нагрева ферментера до 90⁰С один раз в 3 недели стерилизуют воздушный фильтр. Фильтр прогревается острым паром до 130⁰С и выдерживается 30 мин при этой температуре.

     По  окончании нагревания (что определяется достижением температуры конденсата 90⁰С на выходе из ферментера) прекращается подача острого пара. Начинается загрузка питательной среды из емкости подпиток при помощи насоса. При этом продолжается подача пара через барботёр с небольшим расходом, для предотвращения забивания отверстий барботёра частичками питательных веществ. Для доведения до необходимого объема питательной среды в аппарат заливается питьевая вода. По окончании загрузки питательной среды и вспомогательных операций питательную среду в ферментере нагревается до температуры стерилизации 121⁰С следующим образом:

• подается острый пар через термозатворы, глухие штуцера и барботёр (с высоким расходом пара через барботёр);
• подается пар в рубашку аппарата.

     Механическое  уплотнение ферментера стерилизуется одновременно с питательной средой.

     По  достижении в ферментере температуры 121⁰С останавливается подача острого пара через термозатворы на трубопроводах и глухие штуцера. Острый пар продолжает подаваться через барботёр с низким расходом.

     Затем ферментер выдерживается в течение 30 мин при t=121⁰C, P=0,2 МПа. Температура стерилизации поддерживается контролируемым расходом пара через рубашку ферментера.

     По  окончании интервала выдерживания останавливается подача пара в рубашку  и подача острого пара через барботёр. Начинается подача охлаждающей воды через рубашку ферментера для снижения температуры в ферментере с 121⁰С до 28⁰С, совместно с этим для компенсации давления через барботёр подается стерильный сжатый воздух. После охлаждения ферментера производится ввод посевной культуры через засевной лючок. После засева посевной культуры в аппарате устанавливают оптимальные для ферментации параметры. В ходе процесса осуществляется непрерывная подача стерильного воздуха через воздушный фильтр ФВ, pH статирование подачей растворов кислоты из емкости Е3 или щелочи из Е4, уровень пены регулируется подачей пеногасителя из Е1. При необходимости производятся подпитки из емкости E1, температуру культивирования поддерживают подачей в рубашку охлаждающей воды, давления внутри ферментера поддерживается за счет регулирования расхода отходящих газов.

     Продолжительность биосинтеза антибиотиков при посеве из колбы составляет ~240 ч. По истечению этого срока готовая культуральная жидкость выгружается и передаётся на фильтрацию.

      3 Проектирование  системы автоматизации  

     3.1 Структура системы 

     Применяя  современные принципы построения систем автоматизированного управления, можно  определить следующую структуру  АСУ стадией стерилизации:

• уровень датчиков и исполнительных механизмов;
• уровень контроллеров и модулей ввода-вывода;
• диспетчерский уровень;
• сетевой интерфейсный уровень.

     Уровень датчиков и исполнительных механизмов включает датчики и исполнительные механизмы (ИМ) с дистанционным управлением (приводы насосов, отсечные и регулирующие клапаны), необходимые для получения  информации о ходе управления технологическим  процессом. Требования, предъявляемые  к этому уровню, – надежность в эксплуатации, точность измерений  и управления.

     Уровень контроллеров и модулей ввода-вывода решает классические задачи управления технологическими процессами. Наличие  этого уровня является обязательным, так как основные функции управления в системе реализуются именно на этом уровне. Функции – сбор и  обработка первичной технологической  информации, управление технологическим  процессом. Центральным элементом  на этом уровне является программируемый  логический контроллер (ПЛК). В соответствии с заложенной в него программой   через встроенные или подключаемые модули ввода-вывода осуществляется сбор и обработка первичной информации с самого нижнего уровня – от датчиков технологических параметров, а также управления исполнительными  механизмами.

     Основные  функции диспетчерского уровня –  сбор, обработка данных и отображение  технологического процесса. Средства диспетчерского уровня позволяют производственному персоналу удаленно контролировать течение технологического процесса, предоставляют доступ к исторической и актуальной технологической информации в удобной для восприятия форме в виде мнемосхем, диаграмм, тревог, исторических данных. На этом уровне необходимо обеспечивать корректность, доступность, простоту понимания отображаемой и записываемой технологической информации. Диспетчерский уровень представлен автоматизированным рабочим местом (АРМ) оператора – компьютерами, получающими информацию с нижних уровней, на которых функционируют системы сбора данных и управления (SCADA), ведутся архивы баз данных (БД) технологических параметров.