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.