CC BY
11
и
к •
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ТЕМА НОМЕРА
Новые элементы
в системах автоматизации спиртового производства
Г.П. Георгиевский
ВНИИ пищевой биотехнологии
Импульсная система автоматического дозирования жидких сред
Для автоматического управления малыми расходами жидких сред (в частности, ферментов), в том числе высококонсистентных, содержащих взвеси, ВНИ-ИПБТ разработана импульсная система автоматического дозирования (ИСАД).
В основу работы ИСАД положен принцип формирования доз продукта постоянного объема и выдачи этих доз через определенные интервалы времени, а управление расходом дозируемого продукта осуществляется изменением упомянутых временных интервалов.
Сущность импульсного характера дозирования заключается в том, что, по истечении временного интервала, соответствующего длительности цикла дозирования (Т, с) дозатор осуществляет набор и выброс дозы продукта, равной объему его мерной емкости (80 или 450 мл соответственно) кратковременно в виде мощной струи, способной проникнуть вглубь трубопровода, в котором производится дозирование (на весь диаметр трубы, а не «размазывается» по его стенке, как это имеет место у других дозаторов с объемом мерной емкости 2 - 5 мл).
Характерные особенности дозаторов ИСАД-Г - индивидуальный пневматический привод каждого клапана с его силовым принудительным закрытием и сравнительно большой диаметр условного прохода (12 - 15 мм), благодаря чему они успешно справляются с такими средами, как мучной замес концентрацией 16 - 17 %, подавая продукт в аппараты с разрежением 1 кг/см2 и глубже, а также на высоту до 10 м в. ст. При этом оба клапана (заливной и сливной) открываются кратковременно на время выполнения операции залива или слива. Остальное время в течение периода Т остаются принудительно закрытыми, благодаря чему достигается полная герметичность дозатора. Этим они выгодно отличаются от своих отечественных и зарубежных аналогов (дозировочные агрегаты НД, дозирующие насосы фирмы «Грундфос», «Про-минент», итальянские пневмопривод-ные дозаторы с пневматическими регуляторами частоты ходов фирмы ЕМЕХ и др.), у которых продуктовые клапаны
выполнены в виде свободно лежащих шариков. Дозаторы с таким устройством клапанов не могут дозировать продукт непосредственно в аппараты, находящиеся под разрежением, так как под действием разрежения оба шарика (заливной и сливной) будут оторваны от своих посадочных мест и продукт сквозным протоком пройдет через неработающий дозатор. То же может произойти, если высота расходного чанка будет больше высоты подачи дозируемого продукта. Для упомянутых дозаторов проблематично дозирование продуктов, содержащих взвеси.
Управление рабочей мембраной дозатора и его продуктовыми клапанами осуществляется за счет сжатого воздуха и возвратной пружины. Поэтому (в отличие от, например, дозаторов фирмы «Грундфос», использующих для этой цели электродвигатель, редуктор, ременную передачу, кривошипно-шатун-ный механизм и др.) единственная изнашиваемая деталь дозаторов ИСАД -резиновая мембрана, которая вырезается из листа мягкой пищевой резины толщиной 3- 4 мм, без применения прессформ и т.п.
Команды на выполнение операций залива и слива и формирование необходимых временных интервалов осуществляет блок управления (БУ).
ВНИИПБТ совместно с ОАО «АСТРА-КОН» разработали БУ на базе микропроцессорного программируемого цифрового регулятора Базис - 8р, обеспечивающего выработку времен-
ных интервалов с погрешностью, не превышающей сотые доли секунды. В качестве алгоритма БУ принята разработанная ВНИИПБТ математическая зависимость требуемого расхода ферментного препарата (ФП) от количества поступающего на переработку зерна Юз), его крахмалистости (Сз), активности ФП (А), норматива дозировки (Н), кратности разбавления ФП водой (К) и объемаV мерной емкости (МЕ) дозатора.
Сущность работы БУ состоит в следующем. Оператор (технолог) с помощью кнопок ручного ввода, расположенных на лицевой панели БУ, вводит исходные данные (значения Оз, Сз, А, Н, К, и V). БУ производит вычисление количества поступающего крахмала и требуемого расхода ФП, по которому рассчитываются временные интервалы Т между выдачами очередных доз ФП и осуществляется управление дозатором. Предусмотрен и другой режим работы, когда технолог сам определяет требуемый расход ФП. В этом случае технолог с помощью кнопок на панели управления и цифрового табло устанавливает требуемый расход ФП, а дальше БУ определяет длительности временных интервалов и передает соответствующие команды дозатору. С помощью встроенного монитора (цифрового табло) технолог может проверить (или изменить) введенные исходные данные, текущее значение расхода зерна и ФП, а также определить количество отдозированного ФП за 1 ч, смену, сутки и т. д. Все введенные параметры заносятся в программируемую энергонезависмую память БУ, что обеспечивает их сохранность и неизменность при отключении питания прибора на неограниченный период времени. БУ содержит встроенный адаптер сети КБ-485, позволяющий вводить, считывать и корректировать значения параметров с помощью компьютера. Благодаря наличию в конструкции дозатора элемента, реагирую-
Основные технические характеристики дозаторов ИСАД-ГЭ
Параметр ИСАД-Г80Э ИСАД-Г450Э
Диапазон регулирования производительности, л/ч 1,5-45 20-200
Объем мерной емкости, мл мах/мт 80/40 450/300
Диапазон регулирования временных интервалов межу выдачами доз, с 6-200 6-200
Ду продуктовых клапанов, мм 12 12
Погрешность дозирования, % от текущего значения 1 1
Давление воздуха, МПа 0,13-0,15 0,13-0,15
Расход воздуха,л 1 4
Габаритные размеры, мм дозатора 180х330 200х360
блока управления 96х96х50 96х96х50
INNOVATIVE TECHNOLOGIES
щего на прохождение продукта в момент выдачи дозы (пульс), учет ведется не только по количеству ходов пневмопривода, но и по количеству пульсов одновременно. Это повышает достоверность учета, так как не учитывает холостые ходы, например, в случае опорожнения расходных чанков, или закупорки всасывающей или нагнетательной магистрали.
Командные импульсы БУ преобразуются с помощью дискретных электропневматических преобразователей в пневматические (0,1-0,15 МПа), которые управляют продуктовыми клапанами и рабочей мембраной дозатора.
Разработан пневматический вариант БУ, позволяющий устанавливать дозатор и БУ в помещениях и зонах с любой категорией взрывоопасности без ограничений, а также упрощенный вариант микропроцессорного БУ на базе программируемого таймера, позволяющего задавать временные интервалы Т от нескольких секунд до часов с погрешностью менее 0,1 с, не требующий корректировки при многократных отключениях электропитания и т.п.
Объем мерной емкости дозатора может корректироваться с помощью регулировочного винта, ограничивающего ход рабочей мембраны. Подпружиненный шток рабочей мембраны и заливного клапана закрыты прозрачными колпаками, что дает возможность визуально наблюдать за работой основных узлов дозатора. Клапанные узлы вместе со штуцерами могут быть повернуты на 90о в любую сторону, а также меняться местами (на место заливного клапана может быть установлен сливной).
Опыт эксплуатации дозаторов ИСАД-Г в производственных условиях и постоянные контакты пользователей и разработчиков позволили отработать проблемные элементы дозаторов и довести их конструкцию до совершенства, а применение в качестве БУ цифрового управляющего устройства с вычислительными функциями расширяет функциональные возможности дозаторов и ставит их выше отечественных и зарубежных аналогов.
Система автоматизации процесса формирования гидромодуля замеса
Традиционно разработчики делали ставку, в основном, на замкнутую систему автоматизации (СА) с обратной связью по качеству приготовленного замеса, т.е. регулирование соотношения расходов зерна и воды с коррекцией по плотности. В объеме этих работ проверялись несколько вариантов весовых плотномеров, которые, однако, не дали положительных результатов (при изменении соотношения расхо-
дов зерна и воды в направлении 1:3; 1:2.7; 1:2.5 показания плотномеров практически не менялись).
С учетом этого опыта ВНИИПБТ переориентировался на разработку СА без обратной связи (разомкнутой), в которой требуемое качество замеса достигается за счет строгого соблюдения рассчитанных по математическим формулам расходов зерна, воды и ферментов. При этом автоматическому регулированию подлежат два теоретических условных параметра: расход крахмала, подаваемого в производство, - воздействием на расход зерна с учетом его крахмалистости, влажности, планового задания по спирту и нормативных выходов и концентрация крахмала в замесе - воздействием на расход воды с учетом перечисленных параметров зерна.
Эти параметры не поддаются измерению (из-за отсутствия соответствующих приборов), но могут быть вычислены с помощью уравнений материального баланса. Поэтому разработанная СА строится на основе математической обработки уравнений материального баланса, исходными данными для которых (входными величинами) являются параметры зерна, фермента и требуемая концентрация крахмала в замесе, а выходными - задания регуляторам расходов зерна, воды и дозатору фермента. ВУ по запрограммированным формулам обсчитывает исходные данные и посредством электронных микропроцессорных регуляторов управляет пневмоприводом задвижки на зерне и клапаном на воде. Реализация подобных систем автоматизации стала возможной благодаря разработанному ВНИИПБТ математическому аппарату и появлению производственных средств вычислительной техники, способных решать прикладные математические задачи.
Функционирование предлагаемой СА процесса формирования ГМ замеса основано на принципе реализации математической модели (системы уравнений, математически связывающих между собой исходные параметры зерна, ферментов и др.).
Принцип действия СА заключается в следующем: оператор (технолог) задает вычислительному устройству (ВУ) с помощью сенсорных клавиш ручного ввода следующие исходные данные: плановое задание производительности завода по спирту, дал/сут; принятый норматив выхода спирта из 1 т крахмала; крахмал истость зерна; влажность зерна; требуемая концентрация крахмала в замесе; активность фермента; норматив дозировки фермента.
При этом значение концентрации крахмала в замесе определяется по но-
мограммам в зависимости от требуемой концентрации СВ в сусле.
На основе этих данных ВУ рассчитывает требуемый расход крахмала и вырабатывает задание регулятору расхода зерна.
Расходомер зерна измеряет фактический расход зерна и на его основе, с учетом крахмалистости и влажности зерна, ВУ рассчитывает и вырабатывает задание регулятору расхода воды таким образом, чтобы достичь и поддерживать заданную концентрацию крахмала в замесе.
Математическое обеспечение СА позволяет не только изменять расход воды, поддерживая расчетное значение концентрации крахмала в замесе, но и стабилизировать производительность завода по спирту, и величину общего продуктового потока, соответствующим образом изменяя расход зерна.
На основе измеренного расхода зерна и его крахмалистости, активности фермента и норматива его дозировки ВУ рассчитывает количество поступающего с зерном крахмала и осуществляет управление дозатором фермента, обеспечивая его расход пропорциональным расходу крахмала.
В качестве ВУ, запрограммированного для решения описанных задач, выбран электронный регистратор, с экраном и сенсорной панелью. Кроме вычислений и выработки заданий регуляторам и дозатору регистратор на своем экране отображает в виде цветных графиков в реальном масштабе времени одновременно: расход зерна; расход воды; расход ферментов; уровень замеса в смесителе; ток, потребляемый дробилкой; температуру замеса.
А также представляет в цифровом виде текущее и заданное значение перечисленных параметров, сигнализирует отклонение этих параметров за пределы установленных зон и отображает суммарное значение расходов зерна и ферментов за смену, сутки. Наличие интерфейсов RS-232, RS-485, Ethernet позволяет интегрировать СА в общую компьютерную сеть завода.
Кроме того, СА предусматривает возможность автоматического регулирования уровня в смесителе воздействием на частоту вращения электропривода плунжерного насоса замеса и температуры замеса. Предусмотрена также возможность отключения всей автоматики и управления расходами зерна и воды в ручном режиме с помощью дистанционных задатчиков.
СА состоит из двух основных частей: стабилизатора расхода зерна (стабилизатор) и блока управления (БУ).
Стабилизатор состоит из расходо-мерного бункера (250 х 250 х 270мм), в который встроен расходомер зерна.
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
11ТЕМА НОМЕРА I
Установка «0» расходомера зерна
Контроль положения задвижки на зерне
Контроль положения клапана на воде
Регулятор расхода зерна
Регулятор уровня
расхода воды Регулятор
температуры
Ручное управление расходом зерна
Ручное управление расходом воды
Пульт управления процессом формирования гидромодуля замеса
На верхней крышке бункера смонтирован узел зерновой задвижки специальной конструкции с поршневым пневмоприводом - пневмоцилиндром (Япония). Стабилизатор содержит ряд оригинальных решений, позволяющих исключить попадание зерна в направляющие задвижки и давление на задвижку массы зерна в бункере над задвижкой, благодаря чему достигается легкость (без особых усилий) и плавность ее перемещения как в автоматическом режиме, так и вручную; воспри-
нимающая (наклонная) пластина расходомера зерна выполнена из материала, стойкого к абразивному износу. Пневмопривод задвижки, в отличие от электропривода, не боится перегрузок, например, при попадании под задвижку посторонних предметов (солома, слипшиеся комки зерна и т.п.), а следовательно, не требуется установка малонадежных устройств защиты от перегрузок и токов короткого замыкания.
Благодаря пневматическому исполнению стабилизатор является полностью взрывобезопасным изделием и может устанавливаться в помещениях и зонах любой категории взрывоопас-ности без ограничений (подработоч-ные отделения спиртзаводов отнесены к категории В11а взрывоопасности по ПУЭ). Напомним, что Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) предписывается электрические аппараты и другие средства автоматизации во всех случаях стремиться выносить за пределы взрывоопасных зон, если это не влечет за собой неоправданных затрат, и только в случае необходимости допускается установка их в этих зонах при условии выполнения специальных требований.
Стабилизатор подвешивается к нижней части накопительного (расходного) бункера и крепится к нему с помощью прямоугольного фланца, расположенного в верхней части узла задвижки.
Стабилизатор может поставляться как отдельное самостоятельное изделие (без БУ) и комплектоваться вторичным измерительным прибором и регулятором расхода зерна.
Блок управления (см. рисунок) содержит регистратор-вычислитель, регуляторы, электропневматические и пневмо-электрические преобразователи, вспомогательную аппаратуру, переключатели с автоматического режима управления в ручной и обратно, задатчик дистанционной установки «0» расходомеру зерна.
Предлагаемые объем и уровень автоматизации процессов приготовления ГМ замеса в основном своем варианте на основе математических расчетов позволит исключить вероятность отклонений технологических параметров от их расчетных значений и обеспечит стабилизированный поток продукта с напередзаданным качеством, что, в сочетании с полноценным контролем, положительно отразится на работе последующих участков технологического процесса.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГеоргиевскийГ.П. Система импульсного управляемого дозирования жидких сред в спиртовом производстве // Ликероводочное производство и виноделие. 2002. № 9.
2. Авдонин М.В. Дозирование ферментов на спиртзаводе «Александровский №14» // Ликероводочное производство и виноделие. 2004. № 5.
3. ГеоргиевскийГ.П. Импульсное управляющее устройство. А.с. № 716019. Б № 6.1980.
4. ГеоргиевскийГ.П. Импульсные устройства промышленной пневмоавтоматики. - М.: Приборы и системы управления, 1980.
