…

Рис. 4.1. Упрощенная структурная схема САУ

5.АНАЛИЗ ФЕРМЕНТЕРА В КАЧЕСТВЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ САУ СТАДИИ СТЕРИЛИЗАЦИИ БИОРЕАКТОРА

Выше было определено положение ферментера на схеме автоматизации стадии стерилизации, теперь рассмотрим ферментер в качестве объекта автоматического управления. Для этого сначала определим, что представляет собой стадия стерилизации с позиции автоматизации технологических производств.

На стадии стерилизации основной функцией управле­ния является обеспечение заданной последовательности выпол­нения операций, т. е. функция программно-логического управле­ния. Она реализуется переключением в определенной последовательности запорно-регулирующей арматуры, установленной на трубопро­водах технологической обвязки биореактора по достижении технологическими параметрами (ТП) условий переключения или по завершении временных интервалов поддержания ТП. Таким образом, АСУ стадией стерилизации функционирует по разработанной с учетом технологии производства циклограмме переключения управляющих элементов (клапанов, насосов и др.)

За цикл работы биореактора необходимо переключить десятки единиц запорной арматуры, причем в случае ошибочного изменения порядка переключения нарушается стерильность, что ведет к снижению выхода целевого продукта. При управлении вруч­ную ошибки в порядке переключения — одна из причин потерь продукта. Кроме того, переключение вентилей вручную связано с большими затратами труда и времени, т. е. с увеличением длительности вспомогательных операций и снижением произво­дительности реактора. Поэтому автоматизация программно-ло­гического управления — важный резерв повышения эффектив­ности производства эритромицина.

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

Теперь выделим из всех технологических параметров, учитываемых при биосинтезе антибиотика, только те, которые имеют значение для стадии стерилизации.

Промышленный ферментер Ф1 представляет собой аппарат периодического действия. Время одного цикла ферментации 240 часов.

Вследствие большой тепловой емкости этот объект обладает значительной инерци­онностью и чистым запаздыванием.

Основными технологическими параметрами процесса биосинтеза являются:

1. температуры при проведении вспомогательных операций (стерилизация и др.) и во время ферментации;

2. давления во время стерилизации и во время ферментации; уровни пены и жидкостей в ферментере;

3. pH уровень ферментационной среды;

4. содержание различных веществ в отходящих газах;

5. расходы стерильного воздуха, пара, щелочи, кислоты, пеногасителя, подпитки, холодной воды.

Из них технологические параметры, имеющие значение для стадии стерилизации:

1. температура элементов обвязки в ферментере и на выходе из фермента;

2. давление внутри ферментера;

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

1. нагрев острым паром ведет к повышению температуры на соответствующих элементах обвязки на выходе из ферментера;

2. охлаждение ферментера холодной водой ведет к снижению температуры и давления внутри аппарата (охлаждение имеет место по завершении стадии стерилизации, для сохранения при этом стерильных условий требуется герметичность аппарата)

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

1. расход воздуха F_В;

2. расход пара F_П;

3. температура пара Т_П;

4. температура охлаждающей воды Т_охл;

5. расход охлаждающей воды G_ОВ.

выходные параметры:

1. температура среды в ферментере Т_Ф;

2. температура элементов трубопроводной обвязки (штуцер) на выходе из ферментера Т_Ш;

3. давление внутри ферментера P.

Т_Ф

Т_Ш

Р

Т_П

Т_охл

F_В

G_ОВ

F_П

Объект

управления

Рис 5.1. Ферментер как объект автоматизированного управления

6.ВЫБОР СРЕДСТВ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Ранее были раскрыты назначение, цели, и критерии создания АСУ стадией стерилизации (в составе АСУТП биосинтеза эритромицина), определена структура и функционирование ПТК этой АСУ, затем проведен анализ ферментера и стадии стерилизации с позиции автоматизации технологических производств. Следующим шагом на пути создания автоматизированной системы управления является выбор средств программно-технического комплекса, охватывающий диспетчерский уровень, сетевой уровень и уровень контроллеров и модулей ввода-вывода структурной схемы АСУ.

Как уже было отмечено, при выборе средств ПТК необходимо стремиться к снижению стоимости системы, наладки и эксплуатации, повышению надежности, производительности, простоте эксплуатации, совместимости и другим важным характеристикам системы.

Технические средства автоматизации (ТСА) выбираются таким образом, что в рамках АСУ необходимо соблюдать такие принципы Государственной системы приборов (ГСП), как:

1. агрегатирование;

2. унификация сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков;

3. минимизация номенклатуры;

4. реализация эстетических и эргономических требований с точки зрения рациональности.

При выборе программно технических средств автоматизации необходимо учитывать особенности поставленной задачи, требования предъявляемые характером технологического процесса к надежности, живучести, быстродействию, другим техническим и эксплуатационным характеристикам системы, а также потребительские свойства системы.

Набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте соответствует возможностям ПТК, построенного на базе локального программируемого логического контроллера (ПЛК) или сетевого комплекса контроллеров (сеть ПЛК).

Программируемый логический контроллер (ПЛК) и сопутствующие технологии автоматизации

Из всех используемых в настоящее время классов локальных контроллеров нас интересует PLC, выполненные в виде автономных модулей, реализующих функции контроля и управления изолированными технологическими узлами, как, например, районные котельные, электрические подстанции, резервуарные парки. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды [17, 18]. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме "точка-точка" с другой аппаратурой и интерфейсы, связывающие отдельные устройства через сеть с другими средствами автоматизации. В контроллер встраивается или подключается к нему специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш.

В этом классе следует выделить специальный тип локальных контроллеров, предназначенных для систем противоаварийной защиты. (ПАЗ).

Устройства отличаются особенно высокой надежностью (IEC 61511) и быстродействием. В них предусматриваются различные варианты полной текущей диагностики неисправностей с глубиной до отдельной платы; защитные коды, предохраняющие информацию от искажений во время передачи и хранения; резервирование, как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом. В частности, к наиболее распространенным способам резервирования контроллеров этого типа относятся:

1. горячий резерв отдельных компонентов и/или контроллера в целом (при не прохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко второму контроллеру);

2. троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с голосованием по результатам обработки сигналов всеми контроллерами, составляющими группу (за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство контроллеров группы, а контроллер, рассчитавший иной результат, объявляется неисправным);

3. работа по принципу "пара и резерв". Параллельно работает пара контроллеров с голосованием результатов, и аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре; первая пара тестируется, и либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается у второй пары.

Контроллеры, предназначенные для цепей противоаварийной защиты, должны иметь специальный сертификат (например, соответствие уровням SIL стандарта IEC 61508), подтверждающий их высокую надежность и живучесть.

Контроллеры данного класса чаще всего имеют десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов, небольшую или среднюю вычислительную мощность.

Мощность представляет собой комплексную характеристику, зависящую от разрядности и частоты процессора, а также объема памяти разного типа (оперативной, постоянной и т. д.).

Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации.

Также среди локальных контроллеров можно выделить две группы: не PC-совместимые (закрытые) и PC-совместимые (x86-совместимые, открытые) контроллеры.

Контроллеры первой группы, как правило, базируются на специально разработанных процессорах (например, CPU 214 в Siemens SIMATIC S7-200). Производитель оснащает эти контроллеры собственными и стандартными коммуникационными интерфейсами, выпускает разнообразные модули расширения.

Важной особенностью контроллеров этой группы является жесткая привязка к программному обеспечению (ПО) фирмы-производителя. Отсутствие возможности использования стороннего ПО накладывает определенные ограничения на создание, эксплуатацию, масштабирование, модернизацию системы автоматизированного управления, ведет к увеличению совокупной стоимости контроллера и программного обеспечения.

Этот тип контроллеров, как правило, поставляется известными, крупными производителями средств промышленной автоматизации (Siemens, Allen-Bradley, Omron, Schneider). С другой стороны они гарантировано обеспечивают высокую надежность, стабильность и отлаженность программного обеспечение, контроллеров и модулей расширения.

Ко второй группе принадлежат контроллеры, построенные на базе Intel-совместимых процессоров (80386EX, AMD80188-40, AMD DX5-133 (5x86-133)). Кроме стандартных для PLC функций эти контроллеры обладают большими возможностями. Так, например, на них можно возложить функции работы с сетями, интерфейса человек-машина, поддержку различных баз данных и более дружественного интерфейса пользователя. Таким образом, РС-контроллер можно считать РС-совместимой программируемой PLC-системой, которая выполняет строго определенную задачу, но с возможностью гибкого ее перепрограммирования.

Также в силу PC-совместимости этих контроллеров предоставляется более широкий выбор средств программирования: стандартные языки программирования (Asm, C, C++ и т.п), специальные средства разработки (средства разработки базирующиеся на стандарте IEC 61131(МЭК 61131): ISAGraf и т.п.).