АСУ ТП сусловарочного производства на комбинате им. Степана Разина

Размещено на http://www.allbest.ru/

АСУ ТП сусловарочного производства на комбинате им. Степана Разина

Егоров Е.В., Полосин В.Л., Рассказов С.В., Щербина А.Н.

Технология пивоварения

Продукция петербургского пивоваренного завода имени Степана Разина пользуется заслуженной известностью еще с тех пор, как город назывался Петербургом в первый раз, а Степан Разин считался легендарным разбойником вроде Робин Гуда. Торговая марка в те времена была "Калинкинъ", и сегодня ее можно видеть на этикетке элитных сортов всенародно любимого напитка, выпускаемого этим замечательным предприятием.

К сожалению, не все жители нашей страны могли до сих пор лично убедиться в высоком качестве продукции комбината. Марка, в Петербурге занимающая весомую часть рынка, до сих пор практически не вывозилась за пределы региона по причине недостаточности производственных мощностей для резкого увеличения объема производства без потери качества. В связи с этим была принята долгосрочная программа технологического переоснащения предприятия, включающая в себя полную автоматизацию производства на технологическом уровне. Процесс этот длительный и в настоящее время еще далек от завершения, однако даже первый этап работ принес результаты, о которых имеет смысл рассказать.

Рассмотрим кратко технологическую схему производства пива (рис.1)

Рис.1 Технология производства пива (схема взята с сайта завода www.razin.ru)

Ускорение технологического процесса возможно в основном на этапах варки и обработки сусла. После варки пиво должно бродить не менее месяца, и сократить этот срок, не ухудшив качества напитка, невозможно. Увеличение объема производства при этом осуществимо только за счет увеличения количества сусла, производимого в течение дня и заливаемого в один бродильный чан. Поэтому было принято решение по проведению работ по созданию АСУ ТП, начиная с участка варки сусла.

До сих пор нагрев сусла при варке осуществлялся паровой рубашкой в специальном котле. Это огромный бак на 400 гектолитров, и скорость его прогрева при такой технологии очень низка. Для ускорения нагрева и увеличения скорости выпаривания был выполнен отвод сусла в выпарной аппарат (смотри рис.2).

Рис.2. Технологическая схема процесса варки с отводом части сусла в выпарной аппарат (нажмите на картинку для увеличения)

Это меньший по объему бак, в который самотеком подается сусло. Отвод сусла из выпарного аппарата производится при помощи насоса постоянной производительности, а скорость отвода регулируется углом открытия задвижки, установленной после насоса. Внутри выпарного аппарата сусло нагревается в паровой рубашке до точки кипения, а затем возвращается в котел.

В этом процессе особенно важно удерживать в пределах допустимых норм регулируемые параметры. К ним относятся: уровень сусла в выпарном аппарате, температура в выпарном аппарате и давление греющего пара в паровой рубашке. Уровень должен обеспечивать полное закрытие паровой рубашки, иначе произойдет запекание сусла, и не должен быть слишком высок. Давление греющего пара обеспечивает нагрев сусла, однако, при слишком высоком давлении происходит локальный перегрев, что катастрофически влияет на качество пива. Температура должна точно поддерживаться для обеспечения рецептурного режима варки. При больших объемах варки обеспечить должный контроль за значениями параметров вручную невозможно.

Во время процесса варки на стенках выпарного аппарата остается осадок. Со временем он образует толстый теплоизолирующий слой, после чего нагрев сусла паром практически прекращается. Для удаления этого осадка аппарат моют каустиком. Промывка производится во время технической остановки цеха. Отличие от стандартного режима состоит в более высоком удерживаемом уровне жидкости и более высокой температуре варки. При варке каустика особенно важно не допустить "убегания" моющей жидкости, так как каустик в высокой концентрации разъедает даже железо.

Таким образом, необходимо решить следующую задачу.

Постановка задачи.

Автоматизировать систему управления выпарным аппаратом в основных технологических процессах. Система должна поддерживать постоянный уровень сусла в выпарном аппарате, постоянную температуру кипения сусла и постоянное давление пара в паровой рубашке. Значения параметров заданы в диапазонах: уровень 180+10 см, давление 1,5+0,1 кг/см2, температура 103+1°.

Регулирование уровня производится изменением величины расхода сусла на выходе выпарного аппарата (задвижка ЗР1 на рис. 2). Давление пара изменяется при помощи задвижки, регулирующей его подачу (задвижка ЗР2). Удержание температуры обеспечивается изменением угла открытия шиберной задвижки (задвижка ЗР3), влияющей на интенсивность выпаривания сусла.

Входные сигналы системы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Входные сигналы системы

Выбор датчиков был сделан в пользу отечественного производителя в связи с низкой стоимостью, высокой скоростью поставки и предоставляемым гарантийным обслуживанием. Датчики Метран зарекомендовали себя с лучшей стороны при проведении предыдущих работ, они могут выдавать сигнал в различных диапазонах (4..20 mA и 0..10 mA) и их технические характеристики полностью удовлетворяют нашим требованиям. Все датчики имеют класс защиты IP-65.

Для управления используются только дискретные выходные сигналы, что сильно снижает стоимость системы. Перечень сигналов представлен в таблице 2.

Таблица 2. Выходные сигналы системы

В системе используется насос постоянной производительности. Регулировка скорости вытекания сусла производится при помощи электромеханической задвижки ЗР1, стоящей сразу за насосом.

Использовались задвижки тульского производства, выбранные по причине низкой стоимости и доступности.

Программная реализация системы управления

Алгоритм программы приведен на рис.3.

Во время инициализации все задвижки приводятся в закрытое состояние, насос отключается. Запуск процесса варки производится нажатием на кнопку СТАРТ. Выбор режима работы РУЧНОЙ/АВТОМАТИЧЕСКИЙ осуществляется при помощи тумблера.

В ручном режиме предоставляется возможность управления всеми задвижками и насосом. Контроль над установкой в этом режиме не ведется, и вся ответственность за происходящее лежит на операторе.

В автоматическом режиме сначала производится подготовка в варке, состоящая из открытия блокирующих задвижек пара и отвода сусла, а так же задвижки подачи сусла в выпарной аппарат. После набора определенного уровня сусла включается насос и контур регулирования уровня сусла. Когда уровень установится на заданной отметке, включается режим регулирования давления греющего пара в паровой рубашке и температуры сусла.

Все подпрограммы регулирования требуемых параметров основаны на алгоритме ПД-регулятора. Насчитанное воздействие преобразуется в интервал времени поворота задвижки и на задвижку выдается соответствующее воздействие (включить-выключить привод).

Для завершения работы оператор нажимает кнопку СТОП, по которой отключаются все три регулятора и прекращается подача сусла и пара. После откачки всего сусла из выпарного аппарата система находится в ожидании дальнейших действий оператора. Если будет повторно нажата кнопка СТОП, система переходит в режим ожидания. При нажатии кнопки СТАРТ начинается процесс промывки и пропарки выпарного аппарата.

Промывка заключается в наборе заданного уровня воды в выпарной аппарат и последующем сливе в канализацию. Пропарка производится для выдавливания из труб остатков сусла в варочный котел. Пар на некоторое время подается в трубы и сусло выдавливается за счет высокого давления.

Для управления установкой предусмотрен пульт управления, содержащий в своем составе недорогую текстовую операторскую панель. На панель выводятся сообщения о текущей стадии процесса, информация о текущих значениях уровня сусла в выпаривателе, температуры сусла и давления греющего пара.

пиво сусло выпарной варочный котел

Рис. 3. Алгоритм управления АСУ (нажмите на картинку для увеличения)

Для управления установкой предусмотрен пульт управления, содержащий в своем составе недорогую текстовую операторскую панель. На панель выводятся сообщения о текущей стадии процесса, информация о текущих значениях уровня сусла в выпаривателе, температуры сусла и давления греющего пара.

Рис.4 Шкаф контроллера FP1-C72 с аналоговым модулем

При наличии ошибок на панель выводятся сообщения о причинах ошибки, и включается сирена для привлечения внимания оператора. Отслеживаются неполадки в работе задвижек (временные интервалы открытия и закрытия задвижек), ошибки по уровню сусла в выпарном аппарате и ошибки по температуре. Ошибки по уровню и температуре делятся на критические и некритические. Критические ошибки вызывают экстренный останов системы с выводом на операторскую панель соответствующего сообщения. Некритические ошибки только выводят сообщение на панель, а останов при этом не производится. Если накапливается определенное число некритических ошибок, что свидетельствует о неисправности системы, работа выпарной установки также останавливается.

Панель соединена с контроллером кабелем через интерфейс RS422 (смотри рис. 5.), что позволило разнести их в пространстве на расстояние 100 метров: выпарной аппарат находится собственно в варочном цехе, а операторская панель с пультом управления вынесены в пультовую.

В качестве управляющего элемента используется промышленный контроллер Panasonic Electric Works FP1-C72 (см.рис.4), содержащий 40 дискретных входов и 32 дискретных выхода. Контроллеры Panasonic Electric Works отличаются надежностью работы в любых условиях эксплуатации и предоставляют широкий спектр подключаемых модулей, что позволяет в нужный момент легко нарастить систему. Серия FP1 предназначена для реализации управления малыми системами и входит в младшую стоимостную категорию. При необходимости дальнейшего расширения можно подключить дополнительный модуль расширения с дискретными входами и выходами.

Для контроля аналоговых параметров и обеспечения обратной связи в контурах регулирования совместно с контроллером используется стандартный модуль аналогового ввода на 4 канала FP1-4A/D. Вариант с использованием более дешевых модулей удаленного аналогового ввода (например, из семейства ICP-7000) оказался менее привлекательным, так как при незначительной ценовой выгоде, помимо необходимости написания специальных драйверов, возникают проблемы, связанные с недопустимым снижением помехоустойчивости при передаче данных и быстродействия аналоговых каналов.

Рис.5 Принципиальная схема САУ

В ходе работ пришлось столкнуться с несколькими проблемами.

Во-первых, несмотря на наличие шиберной заслонки, через которую пар выходит наружу, при варке над поверхностью сусла возникает избыточное давление. За счет избыточного давления происходит изменение показаний датчика уровня сусла в выпарном аппарате. Чтобы избежать влияния этого эффекта, для измерения уровня сусла пришлось использовать дифференциальный датчик давления: одна мембрана датчика выводится прямо в выпарной аппарат, под сусло, а на другую через трубку подается пар из верхней части выпаривателя. Это позволяет замерить разность давлений, но создает дополнительную проблему для операторов: пар конденсируется и влияет на показания датчика, поэтому приходится после каждой варки сливать образовавшийся конденсат.

Вторая проблема была выявлена после длительного, но безуспешного, этапа наладки. Несмотря на предварительные расчеты коэффициентов регулятора уровня, поддерживать заданный уровень сусла не удавалось. Причина выяснилась только после вскрытия управляемой задвижки. Заслонка, регулирующая сечение открытого участка трубы не была жестко закреплена на центральном стержне и ее люфт составлял более 20% хода. После соединения заслонки и центрального стержня сваркой недостаток был устранен и система была наконец запущена. К сожалению, этот дефект оказался типовым и с ним пришлось столкнуться еще не раз впоследствии.

Достигнутый эффект от автоматизации превысил самые смелые ожидания: вместо 2 - 2,5 часов варки сусла весь процесс стал занимать не более 1,5 часов. К тому же повысилось качество сусла на выходе из варочного котла.

После достижения столь удачных результатов были заключены договоры на автоматизацию других участков линии по производству сусла. О новых результатах мы будем сообщать в следующих выпусках журнала.

Размещено на Allbest.ru