Archiwum Centrala Front technologiczny

 Archiwum Centrala Front technologiczny

 Automatyzowane procesy z grubsza dzieli się na ciągłe, wsadowe i „montażowe”.
Petrochemia jest domeną procesów ciągłych ale występują też w niej procesy wsadowe. Procesy wsadowe szeroko występują w  przemyśle spożywczym, kosmetycznym i farmaceutycznym oraz celulozowym.
Polskie piśmiennictwo jest ubogie w konkretne, wartościowe  przykłady automatyzacji z użyciem PLC i regulatorów.
Celem automatyzacji jest zwiększenie wydajności pracy i polepszenie jakości produkcji.

W Polsce produkcja per capita papieru we wszystkich jego postaciach jest zdecydowanie za mała podobnie jak produkcja tworzyw sztucznych. Im więcej w papierze jest ligniny tym papier szybciej żółknie i starzejąc się słabnie. Papier gazetowy, opakowaniowy, toaletowy czy papier na chusteczki higieniczne może mieć dużo ligniny ale papier na trwałe książki musi mieć jej mało.
Na przełomie XIX / XX wieków rozbudowany system kolejowy i reklamy w gazetach ogromnie upowszechniły sprzedaż wysyłkową i integracje ogromnego systemu gospodarczego USA. Do masowej sprzedaży wysyłkowej potrzeba standardowych kartonów i wzmocnionych, dużych kopert czyli... papieru.
Mało ligniny musi mieć papier do izolacyjnych celów w elektrotechnice. Po sprasowaniu wielu warstw papier elektrotechniczny nazywana się preszpan.
Pochodzący z okresu od połowy XIX wieku papier z celulozowych procesów kwaśnych obecnie dosłownie rozpada się w rękach.  

Produkcja kilograma celulozy jeszcze w latach pięćdziesiątych wymagała użycia do 200 litrów wody wziętej ze środowiska. W nowych celulozowniach po zamknięciu obiegów wody wydatek ten zmniejszono do 20 litrów z trendem spadającym. Celulozownia jest bardzo uciążliwa dla środowiska naturalnego i stąd wysiłki w modernizacji procesu produkcji. Produkcja celulozy jest też energochłonna.
Maszyna papiernicza produkująca z celulozy papier może wydajność ponad 50 tysięcy ton rocznie. Wydajność ta mocno zależy od żądanej jakości papieru.

Dużymi producentami i eksporterami celulozy i papieru są Szwecja, Finlandia i Kanada jako że eksploatuje wielkie zasoby leśne. Zatruta ściekami z celulozowni Zatoka Finlandzka jest martwa.

W produkcji celulozy z drewna dominuje  w cywilizowanym świecie odkryty na koniec XIX wieku proces alkaliczny w którym lignina w drewnie rozpuszczana jest w gotującym się w wysokiej temperaturze roztworze z NaOH i Na2S. Jest to proces bardzo głęboki i brutalny.  

Pnie drzew z placu składowego podawane są do maszyny dokonującej mechanicznego odkorowania. Kora kierowana jest do pieca kotła parowego. Proces modernizuje się aby zmniejszyć zużycie wody w tym procesie lub ją wyeliminować. Odkorowane pnie podawane są bezpośrednio do maszyny szybko tnącej je tarczą z wieloma bocznymi nożami  na wióry wymiaru 10-25 x 2-10mm. Moc silnika elektrycznego napędu może przekraczać 100 KW. Wióry podane są do składu pośredniego.

Reaktor lub warnik Krafta ze stali nierdzewnej to stojący duży walczak pracujący wsadowo o przepustowości do 800 ton dziennie. Od dołu jest lekko stożkowy z uruchamianym siłownikiem zaworem spustowym S z przełącznikiem sygnalizującym jego otwarcie. Reaktor od góry ma szczelnie zamykaną pokrywę P z przełącznikiem sygnalizującym jej odblokowanie. Przy jej otwarciu reaktor napełniany jest wiórami a równolegle przez otwarty zawór podany jest wodny roztwór NaOH i Na2S ( White Liquor ) z dodatkiem środków zmiękczających, zapobiegających pienieniu się i innych środków trzymanych w tajemnicy. Reaktor musi być właściwie załadowany i nie może być przepełniony. Ilość podanego roztworu mierzy przepływomierz ale problem jest ze ścinkami – wiórami. Pamiętać należy że środowisko będzie w czasie roztwarzania - gotowania ekstremalnie agresywne. Można mostkami tensometrycznymi ważyć warnik.
Lepszym rozwiązaniem jest sensor izotopowy. W górnej części reaktora na jego zewnątrz na wybranej wysokości trwale umieszczony jest emiter – hermetyczny przedmiot z małą ilością radioaktywnego Cezu 137  lub Kobaltu 60. Dostęp do oznaczonego symbolem radiacji przedmiotu może być utrudniony aby nikomu nie przyszło do głowy go ukraść. Czas półrozpadu Kobaltu 60 jest 6 krotnie krótszy niż Cezu 137  ale promieniowanie Kobaltu jest znacznie bardziej przenikliwe.
N.B. W jonizacyjnych czujkach pożarowych najbezpieczniejszy jest Ameryk 241.
Po przeciwnej stronie zbiornika umieszczony jest właściwy sensor promieniowania Beta i przede wszystkim Gamma. Gdy poziom wsadu w reaktorze osiąga wysokość sensora poziom promieniowania przechodzącego przez wsad mocno spada.  Sensor izotopowy jest polecany właśnie do agresywnego środowiska. Może też pracować z materiałami sypkimi.
Promieniowanie jonizujące Beta powstaje podczas rozpadu Beta. W rozpadzie Beta- są to elektrony a w rozpadzie Beta+ pozytony.
Promieniowanie jonizujące Gamma powstaje głównie w wyniku przemian jądrowych. Takie same długości fal ma też identyczne promieniowanie rentgenowskie X ale powstaje w inny sposób i dla odróżnienia sposobu powstawania to samo promieniowanie  nazywana jest Gamma lub X co niektórych konfunduje. Promieniowanie Gamma jest znacznie bardziej przenikliwe niż promieniowanie Beta.
Sensorem (1) promieniowania jonizującego może być lampa gazowana. Najpopularniejszym tego rodzaju sensorem jest licznik Geigera – Millera. Jego mankamentem jest konieczność zasilania napięciem 400-800V ( napięcie zasilania zawsze w połowie odcinka Plateau dla najstabilniejszej pracy ) ale o znikomej mocy i ograniczona trwałość. Każdej zdetekowanej cząstce promieniowania jonizującego odpowiada w liczniku GM duży impuls wyjściowy ale częstotliwość impulsów nie może przekraczać 10-20 (100) KHz i sensor się nasyca przy zbyt mocnym promieniowaniu co w takim zastosowaniu oczywiście nie ma miejsca. Konstrukcja sensora z licznikiem GM jest łatwa bowiem nie trzeba „odkrywać koła”. Wystarczy kupić części ( produkcja w małej serii transformatorka wysokiego napięcia przetwornicy jest kłopotliwa ) i skopiować część rozwiązania stosowanego w rentgenoradiometrach cywilnych i wojskowych.
Sensorem (2) promieniowania może być fotopowielacz z kryształem scyntylacyjnym zamieniającym kwanty promieniowania beta i gamma na fotony w zakresie czułości materiału fotokatody powielacza. Jego mankamentem jest konieczność zasilania napięciem 1000-1400V. Szczęśliwie może to być powielone napięcie z transformatorka wysokiego napięcia używanego w liczniku Geigera Millera. Rozwiązanie to jest 5-10 razy czulsze niż licznik Geigera – Millera.
Sensorem (3) promieniowania może być też coś podobnego do półprzewodnikowej fotodiody lawinowej ale reagującej na promieniowanie Beta i Gamma a nie na światło. Napięcie zasilania ( od niego mocno zależy stopień powielania lawinowego czyli czułość ) nie przekracza 300V przy znikomym poborze mocy.
Duży mmpuls wyjściowy z licznika GM ( lub innej lampy gazowanej) jest bardzo łatwy do użycia. Impulsy z fotopowielacza i sensora półprzewodnikowego są małe oraz krótkie i wymagane jest użycie wzmacniacza szerokopasmowego ale z użyciem nowoczesnych elementów i projektu są proste i niedrogie.
Sensor izotopowy może mieć wbudowany przetwornik F/V i standardowe w danym systemie automatyki wyjście 0-10V czy 0-20mA lub niestandardowe wyjście impulsowe (konieczny jest odpowiednio szerokopasmowy kabel ) gdy na przykład nie życzymy sobie aby ktoś kopiował nasze rozwiązanie. Impulsy można też liczyć szybkim licznikiem uzyskując sygnał „analogowy” od razu w postaci cyfrowej. Ponieważ emiter promieniowania z cezem lub kobaltem się powoli starzeje i słabnie co jakiś czas gdy reaktor jest pusty można przeprowadzić „kalibracje” aby system zawsze dokładnie działał. Sensor musi być szczelnie zamknięty. Po napełnieniu reaktora można sensorowi odciąć zasilanie aby się niepotrzebnie nie starzał. Konstrukcja musi jednak zapewniać mały pobór mocy ( bez destabilizującego nagrzewania elementów) i szybką stabilizacje po włączeniu zasilania.
W opisanym sygnalizatorze poziomu materiał emitera i sensor są punktowe na jednej wysokości. Materiał emitera może być rozmieszczony liniowo a nie punktowo. Także sensor nie musi być punktowy. W zależności od aranżacji mamy detekcje przepływu masowego, pomiar gęstości, wagi, składu pierwiastkowego, pomiar rozdziału faz. Specyficznym sensorem izotopowym mierzy się w stalowni grubość nałożonej na gorąco warstwy cynku na blachę. Zatem technologia sensorów izotopowych „warta jest grzechu”.

Gdy sterowaniem zajmuje się PLC ( bez wejść analogowych) sygnał analogowy z sensora izotopowego trzeba komparatorem zamienić na sygnał binarny dla PLC.
 
Po napełnieniu warnika pokrywa P jest zamykana napędem a od dołu dyszami podawana jest przez zawór operowany regulatorem krokowym przepływu para wodna o przepływie 20-25% Qn „przepływu nominalnego”. Użycie regulatora jest konieczne ponieważ moc generowana przez kocioł i parametry pary są zmienne.
Powietrze, gazy, pary mogą uchodzić górą reaktora przez regulowany przez regulator krokowy ciśnienia Pn zawór.
Na etapie parowania górny zawór jest całkowicie otwarty. Na tym etapie procesu usunięte mają być pary i gazy. Drzewa iglaste mają m.in. dużo terpentyny. Pary są skroplone i substancje odzyskane w osobnym procesie.
Dalszy etap to impregnacja wiórów. Przy pełnym przepływie pary Qn gdy tylko ciśnienie mierzone sensorem połączonym rurką z izolatorem ( aby sensor nie uległ zanieczyszczeniu ) z górną ścianka walczaka odrobinę ( ca 3-5% Pn ) wzrośnie regulator ciśnienia operuje zaworem tak aby para była nasycona bowiem w takiej sytuacji proces jest optymalny. Temperatura mierzona sensorem dla określenia ciśnienia nasycenia pary  jest na zewnętrznej ścianie reaktora. Po impregnacji następuje właściwe roztwarzanie – gotowanie. Optymalny jego czas zależy od rodzaju drewna i temperatury w zakresie 155-175C. Przy temperaturze 175C trwa około 1.5 h a przy niższej znacznie dłużej. Optymalny czas roztwarzania ma zapewnić rozpuszczenie  jak największej ilości ligniny przy względnie małej degradacji celulozy.
Ilość ligniny określana jest liczbą Kappa w nieliniowym zakresie 0-100. Liczba Kappa=40 oznacza że jest 6% ligniny. Obecnie jeszcze liczbę Kappa off-line określa laborant w zakładowym laboratorium ale finalizowane są prace nad automatycznym pomiarem.
Po czasie roztwarzania odcinany jest dopływ pary a jednocześnie zawór ujściowy pary zamknięty.
Po otworzeniu spustu S pulpa „Black Liguor” na skutek ciśnienia opuszcza reaktor. Gdy sensor ciśnienia wskazuje że ciśnienie spadło poniżej 3% ( może to być ten sam poziom co dla rozpoczęcia fazy pary nasyconej w etapie Impregnacji ) po pewnym czasie uznaje się że reaktor jest całkowicie opróżniony. Sensor ciśnienia musi mieć stabilne zero aby dobrze wykrył moment narastania ciśnienia przy impregnacji i spadku ciśnienia przy rozładowaniu reaktora.
Znaczne przekroczenie oczekiwanych czasów na sygnały od sensora  może wyzwolić alarm świadczący o uszkodzeniu sensora lub anomaliach przebiegu procesu.         
Spuszczona  pulpa „Black Liquor” jest dalej płukana i odzyskana jest z niego włóknista celuloza. Płyn po płukaniu o stężeniu ca 10% zawierający m.in. ligninę i inne rozpuszczalne składniki drewna jest wieloetapowo zagęszczany w wyparkach i po osiągnięciu gęstości ca 70% podany do pieca i spalony. Ponieważ spaliny zawierają dużo cuchnących związków siarki są podane do płuczki osobnego procesu.
W osobnym procesie z popiołu odzyskiwany jest NaOH i Na2S i ich ilość do tworzenia White Liquor  jest tylko uzupełniana nowymi substancjami.
Piec w czasie automatycznego rozruchu procesu opalany jest olejem opałowym lub gazem ziemnym.
Kilka warników może pracować z przeplotem aby uzyskany strumień wyjściowy „black liquor” nie wymagał dużego zbiornika buforowego.   

Sensory do pomiaru przepływu ( może to być różnicowy sensor ciśnienia i przewężka), ciśnienia i temperatury są  standardowe.
Zawory z silnikami do regulacji dopływu pary do warnika i odpływu z niego mieszaniny par i gazów są typowe.
Napędy do pokrywy z blokadą i spustu z blokadą są typowe.
Nietypowy jest sensor izotopowy. Nie jest nawet orientacyjnie znana cena takiego sensora. Ponieważ mamy reaktory badawcze mamy potrzebne izotopy Cs 137 i Co 60. Licznik GM i fotopowielacz są w ogólności lampami. Na cenę lamp bardzo mocny wpływ ma masowość produkcji. Produkowane na zmechanizowanych i częściowo zautomatyzowanych liniach produkcyjnych w ogromnych seriach skomplikowane i zaawansowane technologicznie lampy odbiorcze są tanie. Lampy nadawcze do zakresu UKF produkowane są ręcznie prostym oprzyrządowaniem. Są drogie. Ale już triody i tetrody nadawcze na zakres VHF-UHF i mikrofalowy z użyciem genialnego tlenku Berylu BeO są drogim, trudnym produktem wysokiej technologii.
W dużych seriach,metodami jak dla lamp odbiorczych,  produkowane były do radiotelefonów i stacji bazowych udane podwójne tetrody VHF serii QQE Philipsa. Przy dobrych parametrach i prostocie użycia były niedrogie i stąd tak duża ich ( i ich podróbek) popularność w świecie.  
Ręczna produkcja licznika Geigera Miller i fotopowielacza są względnie proste. W dużych ilościach są produkowane w ZSRR i NRD. Atutem Polski w takiej ręcznej produkcji jest tania na tle Zachodu siłą robocza.

Realizacja systemu sterowania zależy od tego czy urządzenie „PLC” operuje tylko sygnałami binarnymi czy też wyrafinowane ( i drogie ) ma już wejścia analogowe i algorytm regulacji.
W przypadku zwykłego PLC trzeba zastosować dwa analogowe regulatory krokowe PI:
-Przepływu pary Qn lub 20..25% Qn. Musi być zastosowany prosty niestandardowy, sterowany przez PLC rezystorowy dzielnik sygnału z zadajnika dla uzyskania 20..25% Qn.
-Ciśnienia Pn pary uchodzącej wodzonego temperaturą reaktora.
Obie pętle regulacji są niewymagające i regulatory PI sprawują się dobrze.
Ustalenia nominalnego przepływu pary Qn i czasów etapów dla rodzajów drewna dokonuje się w fazie uruchamiania zakładu ale poszukiwania optimum trwają też w czasie pracy.
Regulatory krokowe mają dwa wyjścia binarne do załączania serwo silnika w obu kierunkach. PLC może więc bez problemu dodatkowo operować silnikami – zaworami. Ostatecznie przy rozległej awarii bezpośrednio zaworami operują aparatowi.   

Konstrukcja systemu z „PLC” / Regulatorem z wejściami analogowymi ( sensor przepływu, ciśnienia i sensor izotopowy) i programowymi regulatorami PI przepływu i ciśnienia jest znacznie prostsza.      

Program pracy PLC musi przewidywać możliwość ingerencji operatora w każdej fazie procesu. Dyskusyjna jest kwestia czy spust winien być automatyczny po zakończeniu procesu. Lepiej aby operator po zakończeniu był zawiadomiony sygnałem dźwiękowym i sam uruchomił spust mając pewność ze proces przebiegł właściwie.

Wadą z urodzenia opisanego systemu z procesem Krafta jest jego wsadowość. Mimo automatyzacji jakość kolejnych wsadów się zmienia a pulpa musi być magazynowa w dużym zbiorniku ponieważ proces produkcji papieru jest ciągły i nie może być zakłócany.
Szwedzki wynalazca John Richter od lat czterdziestych pracował nad procesem ciągłego gotowania – roztwarzania pulpy drzewnej i pierwsze instalacje uruchomiono w latach pięćdziesiątych. Stosowane są trzy pionowe zbiorniki ciągle napełniane i opróżniane. W pierwszym zachodzi parowanie i  częściowa impregnacja. W głównym wysokim zbiorniku zachodzi właściwe gotowanie. Trzeci zbiornik ma role pomocniczą jako bufor. Wydajność produkcji dochodzi do 1500 ton pulpy na dobę. Konstrukcja reaktora oparta jest na dziesiątkach patentów. W głównym reaktorze wsad musi się ładnie równomiernie przesuwać do dołu i w końcu spustu bez zawirowań.  

Wnioski:
-Najważniejsza jest sama technologia produkcji ! Wymagania procesu narzucają ogólnie konstrukcje systemu automatyki, który może być różnie zaimplementowany
-Dla dużej produkcji lepszy jest proces ciągły. W fazie ustalonej po rozruchu punkty pracy ( temperatury, przepływy ciśnienia ...) winny być bliskie optymalnym. Jednak w elektrowni moc oddawana do krajowej sieci jest zadana przez centralny regulator nazwany Dyspozycją Mocy. Optymalne punkty pracy są funkcją a nie skalarem.
Chleb wyrabia się metoda wsadową ale w wielkiej ilości można by go produkować metodą ciągłą. Połączone strumienie mąki, wody, droższy i innych substancji byłyby ślimakiem wyrabiane w ciasto.  
-Proces Krafta lub Richtera obudowany jest wieloma procesami pomocniczymi. Operator w centralnej sterowni musi mieć obraz całości równolegle przebiegających procesów w celulozowni - papierni.  Poszczególne „PLC” mają być jak najbardziej samodzielne ale raportują łączem szeregowym swój stan mikrokomputerowi w centralnej sterowni i otrzymują też polecenia od operatora. Oczywiście najtrudniejsze jest uruchomienie całości procesów zakładu i należy dbać aby okresy pracy były jak najdłuższe. Oczywiście zautomatyzowane uruchomienie na przykład pieca  / kotła zwalnia operatora z części obowiązków.  
-Użycie „PLC” / Regulatora z wejściami analogowymi i algorytmem regulacji PI znacznie uprości konstrukcje. Program zastąpi sprzęt wymagany przy użyciu prostego PLC
-Program winien mieć funkcje Diagnostyczne, Ostrzegawcze ( Warning ) i Alarmowe
-Przesuwające się globalnie fragmenty frontu technologicznego wzajemnie czerpią ze swoich osiągnięć
-Skoro mamy badawcze reaktory jądrowe to wypada szeroko stosować produkowane izotopy. W świecie ilość ich zastosowań szybko rośnie. Szybko rośnie ilość sensorów izotopowych, które są często bardzo trudne do zastąpienia.
-Póki co fotopowielacz jest w wielu zastosowania niezastąpiony. Amerykański koncern RCA pierwszy fotopowielacz typu „931” wypuścił w 1941 roku. Urządzenia z użyciem fotopowielacza są bardzo przydatne i są drogie.
Książka RCA "Photomultiplier Handbook" wymienia następujące dziedziny zastosowania fotopowielaczy:
Astronomy
Colorimetry
C-T Scanners
Densitometry
Gamma-Ray Cameras
High-Temperature Environments
Imaging Devices Inspection, High-Speed
Laser Detection
Photometry
Photon Counting
Pollution Monitoring
Positron Camera
Process Control
Radioimmunoassay (RIA)
Radiometry
Raman Spectrometry
Scintillation Counting
Severe Physical Environments
Thermoluminescent Dosimetry (TLD)
Time Measurement
Bez problemu możemy produkować (podróbki ?) fotopowielaczy  i być może importować je „tanio” z ZSRR. Wyprodukowanie w średniej serii taniutkiej płytki drukowanej PCB impulsowego zasilacza HV mogłoby znacznie spopularyzować ambitne prace doświadczalne i prototypowe z użyciem fotopowielaczy. Zaprojektowanie i sporządzenie jednej sztuki transformatorka HV przetwornicy jest bardzo drogie a tysiąca sztuk już w miarę tanie z racji podziału kosztów projektowania i prototypowania. Zaletą zasilaczyka impulsowego HV jest mały wyjściowy wydatek prądowy i całkowite bezpieczeństwo przy porażeniu napięciem HV – tylko bardzo nieprzyjemny, dydaktyczny wstrząs uczący i nakazujący ostrożność. Normą we współczesnym świecie staje się kompletna 100% usługa. System uruchomieniowy dla mikroprocesora ogromnie przyśpieszy opracowanie sprzętu i programu lub w ogóle czyni to możliwym. Unikamy „wynalezienia koła” po raz kolejny. Podstawka fotopowielacza lub podstawka z PCB w zestawie winna mieć zamontowany kompletny rezystorowy dzielnik HV. Schemat winien też pokazywać zbocznikowany kondensatorkami dzielnik RC do ultra szybkich zastosowań specjalnych. Na tej PCB może też być od razy scalony wzmacniacz sygnału wyjściowego fotopowielacza. Niezmontowana płytka drukowana PCB może przewidywać montaż wielowariantowy. Ale elementy elektroniczne winny być w zestawie. W komplecie aplikacje fotopowielaczy, fragmenty schematów zachodnich urządzeń z fotopowielaczem i szczegółowe przykłady eksperymentów do przeprowadzenia.  
Eksperymenty z taniutkim „systemem uruchomieniowym” fotopowielacza z kryształem scyntylacyjnym umożliwi załączona jonizacyjna czujka pożarowa jako źródło małego promieniowania jonizującego. Jest ona przy normalnym użytkowaniu całkowicie bezpieczna. Źródłem małego promieniowania rentgenowskiego X jest także kolorowy kineskop odbiornika TV.
-Tak samo możemy produkować liczniki Geigera Millera i taniutki „system uruchomieniowy” do nich.
-Przyszłość należy do wszelkich sensorów półprzewodnikowych ale perspektywy naszego Cemi są niestety złe. Możliwe że sensory te wyprą też fotopowielacze i liczniki GM ale liczba zastosowań izotopów i tak wzrośnie. Zmieni się tylko sposób implementacji funkcji.

Załącznik
1.Równania i drabinka dla logiki systemu wyłącznie binarnego PLC dla warnika Krafta.
2.Zestaw fragmentów schematów  urządzeń z fotopowielaczami.