Архив / 2003 / №2(22) / Автоматизация технологических процессов

Автоматическое управление беструбопроводными химико-технологическими системами

Что такое БТ ХТС

Химико-технологические системы (ХТС) предназначены для получения широкого ассортимента малотоннажной химической продукции – особо чистых веществ, синтетических лекарственных средств, парфюмерной и косметической продукции, лакокрасочных и тому подобных материалов. Многопродуктовые ХТС позволяют добиться лучшего соотношения «ассортимент–качество–экономическая эффективность», но возникает проблема быстрой перенастройки аппаратов и трубопроводов на выпуск следующего продукта. А чтобы добиться приемлемой чистоты продукции, требуется тщательная промывка аппаратов, трубопроводов и трубопроводной арматуры, а это – дорогостоящая операция.

В качестве альтернативного подхода разработана концепция беструбопроводных химико-технологических систем (БТ ХТС), которые отличаются тем, что транспортировка веществ по трубопроводам заменяется перемещением мобильных емкостей вместе с их содержимым от одной технологической станции к другой. Технологическая станция оснащена оборудованием, которое подключается к мобильной емкости и осуществляет стадию технологического процесса. Такой подход позволяет расширить ассортимент ХТС и минимизирует затраты на промывку и очистку аппаратуры.

Управление движением мобильных емкостей можно автоматизировать, что особенно важно при производстве веществ высокой чистоты и фармацевтической продукции. Разработка системы управления БТ ХТС начинается с выработки адекватного подхода учитывающего конструкционные особенности аппаратуры и топологию транспортной подсистемы. Такая система управления оперативно реагирует на отклонения в ходе технологических процессов, изменяя расписание работы БТ ХТС с целью соблюдения технологии и предотвращения аварийной ситуации.

Разработка системы управления БТ ХТС включает разработку интерфейсной подсистемы, осуществляющей сбор информации о состоянии функциональных элементов БТ ХТС и передачу ее управляющей ЭВМ, а также передачу функциональным элементам инструкций на выполнение, поступающих от ЭВМ.

Функциональные элементы

На рис. 1 изображена схема ХТС производства бутадиенстирольных каучуков. Универсальная схема автоматического управления БТ ХТС построена на базе контрольно-измерительной аппаратуры, производимой компанией ОВЕН.

Рис. 1. Топология БТ ХТС производства бутадиенстирольных каучуков
Рис. 1. Топология БТ ХТС производства бутадиенстирольных каучуков
Рис. 2. Блок-схема системы управления БТ ХТС
Рис. 2. Блок-схема системы управления БТ ХТС
Рис. 3. Блок-схемы подсистем диагностики и управления функциональными элементами БТ ХТС: а – для мобильных емкостей; б — для технологических станций; в – для отрезков маршрутов перемещения мобильных емкостей
Рис. 3. Блок-схемы подсистем диагностики и управления функциональными элементами БТ ХТС: а – для мобильных емкостей; б — для технологических станций; в – для отрезков маршрутов перемещения мобильных емкостей

В БТ ХТС любой топологии могут быть выделены три типа функциональных элементов:

• Мобильная емкость — перемещающийся контейнер для реакционной массы, с комплексом аппаратуры для подключения емкости к технологической станции и контроля над состоянием реакционной массы

• Технологическая станция — комплекс аппаратов, реализующий одну из стадий технологических процессов

• Отрезок маршрута перемещения мобильных емкостей — комплекс транспортной аппаратуры, осуществляющий перемещение мобильных емкостей между технологическими станциями

Системы диагностики и управления

Блок-схема системы управления БТ ХТС (рис. 2) включает три разРис. 1. Топология БТ ХТС производства бутадиенстирольных каучуков новидности информационно-управляющих подсистем, соответствующие трем типам функциональных элементов: подсистемы диагностики и управления мобильными емкостями, технологическими станциями и отрезками маршрутов перемещения мобильных емкостей, а также управляющий IBM-совместимый компьютер и адаптеры интерфейса АС3, взаимодействующие с компьютером через последовательный интерфейс RS-232. Так как к каждому адаптеру АС3 можно подключить не более 32 приборов, их количество в системе (и, соответственно, количество последовательных портов у ЭВМ) меняется в зависимости от топологии системы.

Компьютер диагностирует состояние БТ ХТС, составляет исходное расписание её работы, а также изменяет расписание в случае нештатной ситуации или останавливает процесс в случае угрозы аварии.

Применение преобразователей АС3, предполагает совместимость применяемой контрольно-измерительной аппаратуры со стандартом RS-485. На рисунке 3 представлены блок-схемы подсистем диагностики и управления функциональными элементами.

Для диагностики состояния и управления мобильными ёмкостями используются (рис. 3,а):

1. Счетчики импульсов СИ8 для определения скорости перемещения мобильных емкостей на основе информации, предоставляемой маркируемыми оптическими датчиками ОПД-18М-1МР (маркеры наносятся вдоль отрезка маршрута перемещения мобильной емкости через равные промежутки, а также на технологических станциях). С помощью этих счетчиков система отслеживает возникновение нештатных ситуаций при перемещении емкости, а также определяет при необходимости правильность установки емкости в гнезде технологической станции.
2. Восьмиканальные универсальные измерители-регуляторы ТРМ138 для диагностики состояния реакционной массы в мобильной емкости, получающие информацию от датчиков температуры, давления, уровня, и от датчика состояния подключения к аппаратуре технологической станции.
3. Устройства автоматического включения электродвигателя перемешивающего устройства и диагностики его работоспособности, поддерживающие интерфейс RS-485.
4. Устройства защитного отключения трехфазного электродвигателя УЗОТЭ-2У для предотвращения аварий, связанных с отказом электродвигателя перемешивающего устройства (эти устройства работают независимо от системы автоматического управления).

Для диагностики состояния и управления аппаратурой технологических станций используются (рис. 3,б):

1. Устройства управления и защиты электроприводов задвижки ПКП1 для управления процессами загрузки реагентов в емкость и выгрузки из нее готовой продукции, а также подвода теплоносителей к мобильной емкости.
2. Восьмиканальные универсальные измерители-регуляторы ТРМ138 для диагностики состояния вспомогательных трубопроводов, получающие информацию от датчиков температуры, давления и работоспособности системы.

Для диагностики состояния управления аппаратурой отрезков маршрутов перемещения мобильных емкостей используются (рис. 3,в):

1. Устройства защитного отключения трехфазного электродвигателя УЗОТЭ-2У для предотвращения аварий, связанных с отказом электродвигателей (эти устройства работают независимо от системы автоматического управления).
2. Устройства автоматического включения электродвигателя и диагностики его работоспособности, поддерживающие интерфейс RS-485.

В зависимости от типа процесса, осуществляемого на технологической станции, или предположительного содержимого емкости состав и количество контрольно-измерительной аппаратуры может меняться. На основе этих блоков можно конструировать интерфейсные подсистемы для беструбопроводных химико-технологических систем любой топологии.

Используя универсальный алгоритм составления расписания работы БТ ХТС и оперативной диагностики ее состояния и обеспечив обмен информацией на основе предложенной контрольно-измерительной аппаратуры, можно построить отказоустойчивую систему управления БТ ХТС, полностью автоматизирующую химическое производство.

Пример

На рисунке 1 изображена топология БТ ХТС производства бутадиенстирольных каучуков. В каждом её хранилище находится по десять технологических станций. Система работает с десятью мобильными емкостями.

Такая система включает в себя:

1. Станции хранения пустых емкостей и станции хранения емкостей с реакционной массой, не выполняющие технологических операций, но передающие информацию о состоянии. Каждая из станций нуждается в датчике состояния.
2. Станции загрузки и станции инжекции. Им необходимо по два устройства ПКП1 для управления загрузкой мономера и эмульгатора.
3. Станцию обогрева, осуществляющую подачу теплоносителя в рубашку мобильной емкости. Для управления подачей теплоносителя необходимо устройство ПКП1.
4. Станцию контроля, определяющую степень полимеризации содержимого текущей мобильной емкости, оснащённую соответствующим измерителем.
5. Станцию выгрузки готового продукта из емкости. Для управления выгрузкой необходимо устройство ПКП1.
6. Станцию промывки (очищает мобильную емкость от следов реакционной массы перед отправкой емкости в хранилище). Для управления подачей промывочной жидкости и для слива отходов необходимы два устройства ПКП1.

Кроме того, все станции передают информацию о своей работоспособности при помощи соответствующих датчиков (по одному на станцию).

Для каждого отрезка маршрутов перемещения мобильных емкостей необходимы устройство автоматического включения и диагностики работоспособности электродвигателя и устройство УЗОТЭ-2У для транспортного электродвигателя.

Каждая мобильная емкость оснащена:

1. Маркерным оптическим датчиком ОПД-18М-1МР, определяющим скорости перемещения емкостей.
2. Устройством автоматического включения электродвигателя и диагностики его работоспособности.
3. Устройством УЗОТЭ-2У для двигателя перемешивающего устройства.
4. Датчиком уровня реакционной массы в емкости.
5. Двумя датчиками давления (для самой емкости и для обогревательной рубашки).
6. Датчиком температуры реакционной массы.
7. Датчиком состояния работоспособности (подключения к технологической станции).

Таким образом, для управления БТ ХТС производства бутадиенстирольных каучуков требуются:

• Датчики работоспособности отрезков маршрутов перемещения мобильных емкостей — 31 шт.
• Датчики состояния работоспособности технологических станций — 25 шт.
• Датчики состояния работоспособности мобильных емкостей — 10 шт.
• Устройства УЗОТЭ-2У — 41 шт.
• Устройства автоматического включения и диагностики работоспособности электродвигателя – 41 шт.
• Датчики давления — 20 шт.
• Маркерные оптические датчики ОПД-18М-1МР — 10 шт.
• Датчики уровня — 10 шт.
• Датчики температуры — 10 шт.
• Устройства ПКП1 8 шт.
• Измеритель степени полимеризации — 1 шт.

Десять из перечисленных устройств (датчики ОПД-18М-1МР) подключаются к счетчикам импульсов СИ8, 107 — к универсальным измерителям-регуляторам ТРМ138, остальные 59 передают информацию через интерфейс RS-485 адаптерам интерфейса АС3. Таким образом, необходимо использовать: 2 счетчика импульсов СИ8 (по 8 каналов); 14 универсальных измерителей-регуляторов ТРМ138 (по 8 каналов), и, следовательно, 3 адаптера АС3 для взаимодействия с управляющей ЭВМ (по 32 канала).

ЭВМ, используемая для управления БТ ХТС производства бутадиенстирольных каучуков, должна поддерживать возможность одновременного подключения не менее трех устройств по интерфейсу RS-232, и, следовательно, может быть организована на основе настольной системы достаточно высокого быстродействия.

Литература

1. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. Основы теории, опыт разработки и применения. // М.: Химия, 1995. – 368 с. 2. Otto E., Peeters H., Rasolondraibe F. & oth. Pipeless Batch Plants for Emulsion Copolymerisation. Slides // TUE-ST, 2002, 22 p. 3. Ko D., Na S. Moon I., Oh M. Development of a Resheduling System for Optimal Operation of Pipeless Plants. // Comp. & Chem. Eng. Suppl. 1999, S523 – S526.

Владимир Макаров, Юрий Генин