Bezpieczna i wydajna produkcja dzięki IP System Control

Tematem artykułu jest opis zrealizowanej przez firmę IP System Control inwestycji w branży chemicznej, dzięki której osiągnięto pełną automatyzację trudnego procesu poprzez połączenie teorii i praktyki. Inwestycję zrealizowano w II kwartale 2004 r. dla znaczącego producenta nawozów sztucznych w Polsce.

IP System Control wchodzi w skład konsorcjum trzech firm działających na rynku dóbr przemysłowych i jest dostawcą systemów sterowania i technologii, a także usług i urządzeń dla przemysłu spożywczego i chemicznego.

 

Opis inwestycji

Opisywana inwestycja została zrealizowana w jednym z zakładów chemicznych w Polsce produkujących m.in. nawozy sztuczne. Celem inwestycji była kompleksowa modernizacja systemu sterowania działem produkcji superfosfatów, a więc opomiarowanie wszystkich węzłów technologicznych działu, wymiana wybranych elementów instalacji technologicznej oraz dostawa nowego systemu zasilania i sterowania instalacją celem zapewnienia powtarzalności oraz optymalizacji produkcji. Zarządzanie produkcją przed wykonaniem modernizacji było realizowane w trybie ręcznym, bazując na doświadczeniach obsługi i informacjach z obiektowych urządzeń pomiarowych i pomiarów laboratoryjnych.

System sterowania zrealizowano w oparciu o sterownik Allen-Bradley rodziny ControlLogix, zdalne wejścia/wyjścia rodziny Flex I/O, zarządzanie systemem w oparciu o pakiet programowy RSView32 firmy Rockwell Software. Rozbudowany system raportowania produkcji (raporty dzienne, zmianowe, miesięczne, za dany okres itp.) wykonano w PHP. Ze względu na rozległość obiektu zastosowano zdalne moduły wejścia/wyjścia oraz panele operatorskie z komunikacją w sieci Controlnet. Obsługa zmodernizowanego działu produkcyjnego odbywa się z dwóch stacji operatorskich (komputerów PC), połączonych z systemem sterowania za pomocą mediów światłowodowych i sieci Ethernet. System jest przygotowany do dalszego rozszerzania w przyszłości o kolejne stacje monitoringu lub kolejne elementy sterowania.

 

Sterowanie rozcieńczaniem kwasu siarkowego

W procesie produkcji nawozów sztucznych wykorzystywany jest kwas siarkowy o ściśle określonym stężeniu, temperaturze oraz ilości odpowiedniej do podawanych innych substratów (np. mlewa). Kwas ten jest uzyskiwany przez rozrzedzanie stężonego kwasu wyjściowego do wymaganej wartości, schłodzenie go do określonej temperatury (podczas rozcieńczania wydziela się duża ilość ciepła) i utrzymywanie temperatury i poziomu w zbiorniku buforowym przed bezpośrednim podaniem na produkcję. W efekcie modernizacji działu został zrealizowany automatyczny system uzyskiwania kwasu siarkowego o zadanych parametrach. Układ wyliczał i regulował ilości dozowanego stężonego kwasu wyjściowego i wody potrzebnych do uzyskania kwasu dla dalszej produkcji, przy czym mierzono przewodność i temperaturę kwasu przed i po zmieszaniu z wodą oraz ilości mieszanych składników. Ze względu na rozmieszczenie elementów w instalacji konieczny był bardzo staranny dobór położenia wybranych urządzeń pomiarowych (np. stężeniomierza kwasu, ze względu na proces mieszania kwasu z wodą i zachodzącą reakcję solwatacji). Dodatkowo cały układ musiał dostosowywać się do wydajności układu podawania mlewa i dynamicznie reagować na jego zmiany.

Rys. Wiele pomiarów w instalacji było realizowanych metodą pośrednią. Wartość istotna dla powodzenia procesu była określana na podstawie innych wartości mierzonych. Na przykład stężenie kwasu można określić przedziałami na podstawie przewodności właściwej i temperatury.

 

W układzie zastosowano sześć regulatorów PID wzajemnie powiązanych matematycznymi zależnościami, sterujących sześcioma parametrami i dodatkowo korzystających ze skomplikowanych funkcji matematycznych uwzględniających prawa chemii nieorganicznej (np. tabel stężeń). Dzięki precyzyjnemu doborowi urządzeń pomiarowych, zaimplementowaniu unikalnego algorytmu sterowania oraz dokładnemu dobraniu parametrów regulacji uzyskano bardzo stabilną pracę układu spełniającą oczekiwania inwestora i potwierdzoną pomiarami laboratoryjnymi.

 

Oczyszczanie gazów metodą absorpcji

W procesie technologicznym produkcji nawozów sztucznych wydzielane są duże ilości gazów szkodliwych dla środowiska (duża zawartość fluoru). Są one oczyszczane metodą mokrą, polegającą na przechodzeniu gazów przez kaskadowy układ wież absorpcyjnych. Produktem oczyszczania ? spryskiwania gazów wodą ? jest kwas fluorokrzemowy wykorzystywany w dalszej produkcji nawozów. Zadaniem zmodernizowanego systemu sterowania było zapewnienie stałego stężenia kwasu fluorokrzemowego na wyjściu układu, utrzymanie stałego poziomu wody i kwasu fluorokrzemowego w zbiornikach wież absorpcyjnych przy kaskadowym przepływie oraz kontrola procesu absorpcji gazów. Na etapie realizacji inwestycji, ze względu na brak dostępnych danych o sposobach pomiaru, szczególnych trudności można było się spodziewać przy pomiarach stężenia kwasu fluorokrzemowego. Ostatecznie pomiar został zrealizowany poprzez pomiar konduktancji właściwej kwasu i jego temperatury. Wyznaczając wcześniej w szerokim zakresie zależność stężenia od konduktancji i temperatury oraz dopasowując charakterystyki do teorii przewodnictwa roztworów elektrolitów, osiągnięto dokładności i powtarzalności pomiarów całkowicie spełniające założenia projektowe. Mierzone obecnie ?online? wartości pokrywają się z wartościami mierzonymi w laboratorium, przy czym warto dodać, że jeden laboratoryjny pomiar stężenia trwa ok. 1 godziny.

 

Fot. System wizualizacji i raportowania umożliwia nadzorowanie pracy instalacji i jakości produktu. Dzięki wykorzystaniu między innymi RSView, PHP uzyskano rozwiązanie przekraczające oczekiwania inwestora.

 

Pomiary technologiczne

Podczas realizacji inwestycji napotkano na wiele problemów natury metrologicznej. Stosowane media były agresywne chemicznie (wymagały stosowania odpowiednich materiałów), oblepiające (np. wytrącanie krzemionki na ściankach zbiorników i rurociągów), często w podwyższonej temperaturze i dodatkowo z obecnością piany i gazów poreakcyjnych. Pomiary poziomu takich cieczy stwarzają dużo problemów i konieczne było stosowanie różnorakich, nowatorskich rozwiązań celem zapewnienia stabilności i jakości pomiarów przy określonym stałym budżecie. Do realizacji pomiarów wykorzystano głównie urządzenia firmy Endress+Hauser ze względu na ich jakość, szeroki asortyment, dobre referencje i duże doświadczenie w branży. W różnych miejscach instalacji do pomiaru ciągłego poziomu przetestowano i wykorzystano metody pomiarowe: radarową, ultradźwiękową, pneumatyczną (bąbelkową) i pojemnościową, a do sygnalizacji obecności cieczy (min. i max.) metody kamertonową i przewodnościową. Przy pomiarach przepływu zastosowano przepływomierze elektromagnetyczne w specjalnych wersjach. Podobnie było w przypadku pomiarów temperatury i ciśnień, przy czym ze względu na oblepianie trzeba było stosować nowatorskie rozwiązania minimalizujące czynności eksploatacyjne.

 

Podsumowanie

W wyniku modernizacji działu produkcji superfosfatów osiągnięto zamierzone cele. Instalacja technologiczna została precyzyjnie opomiarowana, sterowanie odbywa się za pomocą nowoczesnych narzędzi i jest w znacznym stopniu zautomatyzowane. Ograniczając możliwość ingerencji operatora w nastawy kluczowych elementów regulacji, wyeliminowano występowanie przypadkowych pomyłek, awarii i przestojów instalacji. Rozbudowany system wizualizacji i monitoringu pozwala na przeprowadzanie analiz z uzyskanych danych produkcyjnych oraz pełną kontrolę nad sytuacjami awaryjnymi. W konsekwencji ? zmodernizowany dział produkcyjny stał się bardziej wydajny, bezpieczny, przyjazny operatorowi i środowisku.

dr inż. Radosław Gołębiewski
jest koordynatorem do spraw obsługi
inwestycji w IP System Control
rgolebiewski@ipsc.com.pl