Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Rekonstrukce řídicího systému v cukrovaru Vrdy

číslo 6/2005

Rekonstrukce řídicího systému v cukrovaru Vrdy

Okolí obce Vrdy nedaleko Čáslavi bylo a v současné době stále je významnou řepařskou oblastí. Proto není divu, že zde firma Schoeller v druhé polovině 19. století založila cukrovar. V sousedství v té době pracovalo několik konkurenčních podniků. Postupem doby však mnohé z nich nevydržely tlak konkurence a zanikly, avšak cukrovar ve Vrdech naštěstí tento osud nepotkal. Od roku 1996 cukrovar vlastní společnost Cukrovar Vrdy, s. r. o. Kapacita cukrovaru je přibližně 2 500 tun řepy denně.

Obr. 1.

Obr. 1. Pohled na výrobní zařízení: vpravo příjem řepy a řízkování, vlevo odparka, uprostřed pracoviště operátorů

Pro to, aby obstál v konkurenci, musel provoz cukrovaru Vrdy projít mnoha rekonstrukcemi. Jedna z rozsáhlých modernizací se uskutečnila v minulých letech a je popsána v tomto článku. Požadavkem zadavatele bylo zefektivnit výrobu tím, že bude nahrazeno staré řízení, realizované převážně panelovými pneumatickými regulátory, novým distribuovaným systémem řízení (DCS, Distributed Control System).

Výběr řídicího systému

Jako DCS byl pro Cukrovar Vrdy vybrán systém Centum CS1000 od společnosti Yokogawa. CS1000 je výkonný systém určený především pro malé a střední aplikace. Osvědčil se již v mnoha projektech po celém světě (viz text v doprovodném rámečku). Za jeho hardwarovou platformu slouží počítače typu PC s operačním systémem Microsoft Windows NT.

Systém CS1000 je pro řízení cukrovarů velmi vhodný především pro svou velkou spolehlivost a velký počet regulačních a sekvenčních bloků. Řídit lze až 8 000 regulačních smyček. Komfortní vizualizační prostředí může obsahovat celkem jeden tisíc technologických oken (grafická okna, přehledová okna, okna řídicí skupiny, okna časových průběhů) a osm tisíc ladicích oken. Celkový počet zaznamenávaných časových průběhů je až 1 024 s periodou vzorkování 1 s až 10 min.

Třicet let značky Centum

Značka Centum letos oslaví třicáté narozeniny. První systém Centum z kategorie distribuovaných systémů řízení (DCS) uvedla společnost Yokogawa na trh v červnu 1975.

Před příchodem systémů Centum byly k řízení využívány analogové panelové přístroje. Aby se usnadnilo ovládání a testování činnosti systému a nastavování parametrů jednotlivých regulačních smyček, montovaly se přístroje do rozsáhlých operátorských panelů, které zabíraly hodně místa a k jejichž obsluze bylo zapotřebí mnoho operátorů. Systémy Centum s obrazovkovými monitory vedly k významnému zefektivnění práce i úspoře místa v operátorských místnostech.

Společnost Yokogawa systémy Centum neustále zdokonaluje, aby odpovídaly současným požadavkům uživatelů. Reaguje také na technický vývoj v těch oblastech techniky a průmyslu, kde se Centum nejvíce používá. Více než 10 000 instalovaných systémů v celém světě staví systém Centum na přední místo mezi DCS.

Systém Centum CS1000, použitý v cukrovaru Vrdy, má tyto základní rysy:

  • funkce DCS jsou plně ovládány z PC,

  • lze jej navrhnout „na míru„ dané aplikaci a podle potřeby jej v budoucnu přizpůsobovat,

  • virtuální testovací funkce usnadňují projektování a testování,

  • využívá Windows NT; to za prvé zjednodušuje přístup k datům z mnoha běžných počítačových programů a za druhé lze na počítači současně provozovat kromě systému Centum CS1000 i další aplikace pod Windows NT,

  • umožňuje řídit dávkové procesy ve shodě s ISA S88,

  • lze využít sériové provozní sběrnice a komunikační systém zahrnující inteligentní provozní přístroje,

  • aktualizace dat je obzvlášť rychlá,

  • je zajištěn nepřetržitý celosvětový servis.

(Bk)

Postup rekonstrukce

Celková rekonstrukce řízení cukrovaru začala v roce 2001. Situace byla zkomplikována tím, že modernizaci nebylo možné rozdělit do několika etap. V období mezi ukončením jedné kampaně a začátkem další musel být kompletně nainstalován a naprogramován celý řídicí systém a rovněž vyměněn systém měření a regulace. Byly vytvořeny nové kabelové trasy, nahrazeny nevyhovují snímače, instalována nová měřicí a regulační místa a přepojeny ovládací pulty pro silová zařízení do rozváděčů řídicího systému pro celý cukrovar.

Obr. 2.

Obr. 2. Příjem řepy – překlepávače

Pracovníci dodavatelské společnosti Maring, s. r. o., v rámci důkladné přípravy před vlastní realizací projektu navrhli celou rekonstrukci tak, aby bylo možné v co nejvyšší míře využít dosavadní zařízení. Byly navrženy, vyrobeny a vyzkoušeny všechny potřebné rozváděče. Systém CS1000 má široké možnosti simulace, takže aplikační software bylo možné navrhnout, odladit a otestovat na PC v dodavatelské firmě, bez nutnosti připojovat vstupní a výstupní zařízení.

Řízení výroby cukru

Postup výroby cukru byl pro potřeby řízení rozdělen do čtyř částí: první částí je příjem řepy až po výrobu difuzní šťávy, druhou řízení epurační linky a odparkové kolony, třetí varna krystalového cukru a čtvrtou varna meziproduktů.

První dvě procesní stanice řídicího systému, které řídí první dvě části výroby, ovládají typickou kontinuální výrobu s kapacitou až 100 m3 zpracované suroviny za hodinu. Řepa uložená na skládce denní zásoby se po několikanásobném průchodu přes lapače chrástu, lapače kamenů, lapače kořínků a vibrační překlepávače (obr. 2) načisto vypere v pračce, nařeže v řezačkách na řízky a putuje dopravníkem do extraktoru difuzní linky. Do tohoto okamžiku se z hlediska regulace nic zajímavého neděje. Ale okamžikem příchodu řízků do difuzní linky začíná proces, který je na regulaci velmi náročný. Řízky se před difuzní linkou přesně zváží a poměrovou regulací řízky – voda se nastavuje množství vody, která protiproudem vyluhuje cukr. Množství řízků je dáno kapacitou zařízení, reguluje se tedy průtok vody. Více vody znamená, že řízky budou lépe vylouženy, ale difuzní šťáva bude řidší; méně vody naopak zajistí hustší šťávu, ale část cukru zůstane nevyloužena v řízcích. Regulací otáček dopravníku se mění doba průchodu řízků difuzní linkou. Pomalejší průchod linkou znamená lepší vyloužení, ale naproti tomu také menší kapacitu výroby. Správné a rychlé vyloužení závisí také na teplotě, při které se řízky vyluhují (difuzní linka má čtyři teplotní sekce). Záleží zde na každém stupni Celsia: zvýší-li se teplota např. o dva stupně, cukr se dobře vyluhuje, ale vyluhují se i nežádoucí látky a příliš změklé řízky se obtížně odstraňují z difuzní linky, a to zpomaluje výrobu; pokles teploty o dva stupně znamená, že se řízky špatně vyluhují, musí se přidat více vody, a tím řídne šťáva. Řízky na vstupu navíc nemají konstantní cukernatost (ta závisí na kvalitě řepy) a neustále se mění také jejich teplota (podle venkovní teploty). Je zřejmé, že udržet za těchto okolností, kdy jsou všechny vstupní parametry v pohybu (a to zde v rámci zjednodušení nejsou všechny faktory uvedeny), velmi důležitou kapacitní normu a zajistit stálou kvalitu difuzní šťávy je velmi těžký úkol a může ho zajistit pouze dobrý regulační systém, složený z kvalitních prvků, které jsou navíc odolné proti vlivům teploty, vlhka a vibrací.

Obr. 3.

Obr. 3. Příklad zobrazení technologického schématu: difuzní linka

Získaná difuzní šťáva se přivádí do epurační linky. Ta je sestavena z několika uzavřených tanků (cukrovarníci říkají hrnců). První je čeřič, následuje 1. saturace A, 1. saturace B a 2. saturace.

Spolu s epurační linkou nutně musí pracovat vápenka (šachtová pec na pálení vápna), protože epurační linka spotřebuje velké množství vápenného mléka, které se připravuje z hašeného vápna. Rovněž je zapotřebí saturační plyn, tj. plyn, který vzniká hořením koksu a přepalováním vápence. Saturační plyn je odsáván, čištěn ve vodních filtrech a přiváděn do první a druhé saturace. Jeho úkolem je odstranit zde přebytečné vápno z cukerné šťávy. Pro správnou funkci epurační linky je nutné, aby měl saturační plyn určité složení (30 % obj. CO2 a další plyny). Předpokladem správného provozu epurační linky je tedy dokonalý provoz vápenky.

Vápenné mléko musí mít stanovenou hustotu: řídké příliš ředí šťávu, husté může ucpávat potrubí. Pro celkové množství vápenného mléka určeného pro provoz epurační linky je určující poměr šťáva – voda. Vápenné mléko je rozdělováno vápennou odměrkou do jednotlivých částí epurace. Současně se sem přivádí i saturační plyn. V epurační lince je nutné udržovat stanovenou teplotu s přesností na jeden stupeň. Při nižší teplotě se neodstraní všechny kaly, vyšší teplota způsobuje nadměrné pěnění a zpomaluje výrobní proces. Optimálnímu stavu, kdy je v saturačním tanku dodržena správná teplota, správný poměr šťáva – vápenné mléko (které má správnou kvalitu) a je dodáváno správné množství saturačního plynu (který opět musí mít svou kvalitu), odpovídá určitá hodnota pH šťávy, která se průběžně měří pH-metry (obr. 4). Po první saturaci prochází šťáva přes kalolisy, kde se odfiltruje podstatná část kalů s vápnem – tzv. šáma, po druhé saturaci se zbytek kalů odfiltruje na jemných filtrech (dekantérech). Při jakémkoliv nedodržení správných hodnot regulovaných veličin, které se projeví na pH šťávy, vzniká závažný problém. Při vysokém pH nelze šťávu filtrovat, protože místo filtrovatelných kalů vznikne nefiltrovatelné „lepidlo„. Je nutné zastavit celý provoz a linka se musí vyčistit. Je-li naopak hodnota pH malá, zanese se odparková kolona usazeninami, které zabraňují prostupu tepla. To znamená předčasné ukončení kampaně. Obě situace jsou spojeny s velkými finančními ztrátami.

Obr. 4.

Obr. 4. Elektrody pH-metru EXA PH202 umístěného na epurační lince

Regulace na epurační lince a regulace výroby difuzní šťávy jsou nejnáročnější části celé technologie a jejich zvládnutí tvoří základ efektivní výroby cukru.

O odparce se říká, že je to energetické srdce cukrovaru. Z kotelny se do prvního tělesa odparky přivádí ostrá pára a odparem lehké šťávy vzniká odparová pára (tzv. brýda č. 1). Ta se využívá k ohřevu druhého tělesa odparky. Regulací jejího průtoku v prvním tělese vzniká tlak a ten vytlačuje zahuštěnou šťávu do druhého tělesa (není třeba čerpadlo). Ve druhém tělese se opět odpaří pára (brýda č. 2), ta zahřívá třetí těleso odparky, opět se cestou brzdí a vzniklý tlak posouvá šťávu do třetího tělesa – stejný postup se opakuje i v dalších stupních. Odparková kolona ve Vrdech má pět stupňů (přičemž třetí je zdvojený). Přebytek brýdových par se používá k ohřevu difuzní linky, epurační linky i jinde. Aby odparka správně pracovala, je třeba regulovat teploty a tlaky. Pro kontrolu se měří i poloha hladiny v tělesech. Když je na konci odparkové kolony těžká šťáva příliš řídká, zmenší se průtok odparkou, odpaří se více vody a hustota se tím upraví na požadovanou hodnotu.

Odparkou končí kontinuální část výroby. Další postup výroby cukru je dávkový. Těžká šťáva, která vzniká v odparkové koloně, se natahuje do varostroje (zrniče), popř. se přidává lehká šťáva, rozvařená zadina, siroby atd. Konkrétní receptura závisí na parametrech těžké šťávy a v průběhu kampaně se mění, především v závislosti na kvalitě řepy. Krystalky cukru se odstředí a tím se oddělí meziprodukt od tekutého podílu – sirobu nebo zadiny. Opakovaným rozpouštěním se meziprodukty čistí. Nakonec se surový cukr upravuje na výsledný produkt – rafinovaný (resp. afinovaný) krystalový cukr. Melasa, tj. tekutý podíl, z něhož už nelze vyzrnit další cukr, může být dále zpracovávána jako krmivo nebo pro výrobu lihu.

Obr. 5.

Obr. 5. Příklad zobrazení technologického schématu: varna C

Pro každou část řízení byla použita jedna procesní stanice (PFCS, Process Field Control Station). Procesní stanice jsou základem celého řídicího systému, v nich jsou vykonávány všechny řídicí programy a uloženy databáze procesních dat. Pro surovárenskou část byly dále instalovány dvě operátorské stanice (HIS, Human Interface Station) s možností monitorovat a operativně řídit provoz. Další operátorská stanice, společně s inženýrskou stanicí, je určena pro varnu. Tato stanice současně slouží jako záloha při výpadku kterékoliv operátorské stanice.

Na operátorských stanicích se vytvářejí také bilanční, směnová a denní hlášení, která se v podobě tabulek vytvořených v tabulkovém editoru Microsoft Excel ukládají do podnikové sítě. Provoz lze monitorovat nejen z operátorských stanic, ale také z kteréhokoliv počítače s nainstalovaným webovým prohlížečem Internet Explorer, který má přístup k webovému serveru systému. Na tomto serveru je nainstalován softwarový balík Yokogawa Web Monitoring, který prostřednictvím OPC serveru získává data z procesu a generuje stránky v HTML s applety Java pro jejich grafické zobrazení.

Obr. 6.

Obr. 6. Pohled na operátorské pracoviště

Současně s rekonstrukcí řízení byla vyměněna i podstatná část provozních přístrojů – snímačů a akčních členů.

Výhody instalovaného systému

První výhodou řídicího systému CS1000 je jednoduchá a snadno pochopitelná obsluha. Obsluhujícím pracovníkům stačilo jen krátké zaškolení, aby zvládli přechod od pneumatických regulátorů a tlačítkových ovládacích panelů k současnému řízení pomocí počítače.

Další, neméně důležitou výhodou je to, že díky dobré koncepci řídicího systému a výkonným programovým nástrojům lze snadno a rychle realizovat potřebné změny v řízení. Výroba cukru je totiž velmi „živá“ technologie a změny jsou zde dosti časté.

Také údržba řídicího systému je snadná a pracovníci cukrovaru si ji po nezbytném zaškolení z větší části zajišťují sami.

Výroba cukru je aplikace, kde se mohou plně projevit všechny přednosti systému CS 1000 od společnosti Yokogawa.

Vladimír Neumann,
Petr Bartošík