Способ автоматического управления производительностью смежных участков в микробиологической установке Советский патент 1988 года по МПК C12Q3/00 

/7

00

00

со

Изобретение относится к пищевой, микробиологической промьпплен- ности, в частности к производству лизина. Изобретение позволяет увеличить производительность микробиологического производства путем регулирования нагрузки с учетом состояния процессов ферментации и выпа ривания. В блоке (Б) 19 осуществляется расчет состояния процесса ферментации по показаниям датчиков (Д) 14, 17, 18. В Б 30 определяется состояние процесса выпаривания по показаниям Д 26, 29, 8, 11. В Б 31 осуществляется расчет задания регуляторам (Р) 7 и 10 с учетом состояния процессов ферментации и выпаривания, а также в зависимости от значения уровня в емкости Е и скорости его изменения. В Б 32 осуществляется расчет заданий Р 10 и 13 с учетом состояния процесса выпаривания, концентрации исходного продукта, уровня в емкости Е и скорости его изменения. 3 ил. i (Л

фие1

Изобретение относится к способам регулирования производительности сме ж)1ьгх участков производства и может быть использовано н пищевой, микробиологической пр15МЫ11и1енности, в частности в производстве лизина.

Цель изобретения - повышение производительности смежных участков микробиологического производства.

На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - схема блоков определения состояния ферментера и формирование задания регулятором; на фиг. 3 - схема блоков определения состояния выпарного аппарата и формирования задания регулятора.

Участок микробиологической установки состоит из ферментера 1, бу- ферно) емкости 2, выпарного аппарата и буферной емкости 4, соединенных линией подачи раствора. На линии подачи раствора в ферментер 1 установлены датчик 5 расхода и исполни- тельный механизм 6, соединенные с регулятором 7. На линии подачи раствора в выпарной аппарат 3 установлены датчик 8 расхода и исполнительный ме- чанизм 9, соединенные с регулятором 10, На линия упаренного раствора посл выпарного аппарата 3 установлены датчик 1 1 расхода и исполнительный механизм 12, соединенные с регулятором

13соотношения, Apyrofi вход которого соединен с датчиком 3. Ма линии по- дачи воздуха в ферментер установлены датчик 14 расхода и исполнительный механизм 15, соединенные с регулятором 16, линии газов, отходящих из ферментера, установлен концентромер 17, соединенный также, как и датчик

14и датчик 18 уровня, установленный в ферментере, с блоком 19 определения состояния ферментера. В буферной емкости 2 установлен датчик 20 уров- ня, соединенный с дифференцирующим блоком 21 и блоком 22 сравнения. В емкости 4 установлен датчик 23 уровня, соединенный с дифференцирующим блоком 24 и блоком 25 сравнения.

На линии подачи пара в выпарную установку установлен датчик 26 расхода и исполнительньш механизм 27, соединенные с регулятором 28, а такж датчик 29 давления, связанный с блоком 30 определения состояния выпарного аппарата, на второй вход которого поступает сигнал от датчика 26,

а на третий и четвертый входы - сигналы от датчиков 8 и 11. Выход блока 30 связан с первым входом блока

31формирования задания и блока 32 аналогичного назначения. Второй вход блока 31 соединен с блоком 22, а третий - с блоком 19. Первый выход блока 31 соединен с регулятором 7, а второй выход - через элемент ИЛИ 33

с регулятором 10. Второй вход блока

32соединен с датчиком 34 концентрации, установленным на линии подачи раствора в выпарной аппарат, первый выход - через элемент ИЛИ 33 с регулятором 10, а второй выход - с регулятором 13.

На фиг. 2 представлена схема блока 19 определения состояния ферментера и блока 31 формирования задания регуляторами 7 и 10.

Блок 35 умножения соединен с датчиком 14 и блоком 36 алгебраического сложения, первый вход которого в свою очередь связан с концентра- томером 17, а на второй вход подается сигнал о концентрации кислорода в воздухе, поступающем на аэрацию. Выход блока 35 соединен с первым входом блока 37 деления, второй вход которого связан с блоком 38 умножения, на вход которого подается сигна от датчика 18. Выход блока 37 соедин с блоком 39 сравнения, на второй вхо которого поступает эталонный сиг нал

К . Выход блока. 39 связан с первым

мим

входом элемента И 40 и первым входом элемента И 41. Второй вход элементов 40 и 41 связаны с выходом блока 42 сравнения, первый вход которого соединен с датчиком 18, а на второй поступает эталонный сигнал П. „. Трет

InQftC

входы элементов 40 и 41 соединены с выходом блока 43 сравнения, вход которого связан с датчиком 5.

Выход элемента 40 соединен с входами элементов И 44-46. Второй вход элемента 44 соединен с датчиком 8, а выход - с элементом 1ШИ 47, второй вход которого связан с выходом элемента И 48, входы которого подключены к датчику 8. Выход элемента 47 соединен с первым входом сумматора 49. Второй вход последнего соединен с элементом ИЖ 50, входы которого связаны с элементами И 46 и 51, в свою очередь входы которого подключены к датчику 5, Третий вход сумматора 49 соединен с элементом ИЛИ 5 входы которого связаны с элементом

45 и элементом И 53, входы которого в свою очередь подключены к блоку 34 умножения. На последний поступает сигнал от блока 22 (см.фиг, 1) и по- стоякный сигнал F. Выход сумматора 49 подключен к инвертору 55, а выход - с регулятором 7.

Выход элемента 41 подключен к элементам И 56-58. Второй вход элемен- та 56 соединен с блоком 54, а выход с элементом ИЛИ 59, второй вход которого связан с элементом И 60, вход которого в свою очередь подключены к блоку 54. Выход элемента 59 связан с первым входом сумматора 61, второй вход которого связан с выходом элемента ИЛИ 62, входы которого в свою очередь подключены к элементу 57 и элементу И 63. Входы последнего связаны с датчиком 5. Третий вход сумматора 61 связан с элементом ИЛ 64, входы которого соединены с элементом 58 и элементом И 65, входы которого в свою очередь подключены к датчику 8. Выход сумматора 61 соединен с инвертором 66, а выход - с регулятором 0.

Блок 67 умножения соединен с датчиком 26 и сумматором 68, первым входом которого является постоянный сигнал С, , вторым входом - сигнал от блока 9 умножения, третьим входом - сигнал от блока 70 умножения.

Блоки 69 и 70 соединены с датчиком 29, а вторым входом блока 70 яв- ляется постоянный сигнал С.

Выход блока 67 связан с первым входом блока 71 деления, второй вход которого соединен с сумматором 72, входами которого является сигналы от датчиком 8 и 11. Выход блока 71 связан с блоком 73 сравнения, вторым входом которого является эталонный сигнал. Выход блока 73 связан с элементами И 74 и 75. Второй вход элементов 74 и 75 соединен с выходом блока 76 сравнения, входами которого являются сигнал от датчика 23 и эталонный сигнал Н Третьи входы

элементов 75 и 74 соединены с блоком 77 сравнения, входами которого являются сигнал от датчика 29 и эталонный сигнал Четвертые входы элементов 74 и 75 соединены с выходом

блока 78 сравнения, входами которого 55 сти от показаний датчика 14 расхода

является эталонный сигнал Ьцпмакс и текущее значение концентрации упаренного продукта Ьул . Выход элемента

5

0

5

Q

0

0

75 соединен с входами элементов 48, 51 и 53 и инвертора 55 (фиг. 2). Выход элемента 74 соединен с входами элементов 60,63 и 65 и инвертором 66,

Элемент И 79 соединен первым входом с элементом 74, а вторым - с сумматором 80, входами которого в свою очередь являются сигнал от блока 25 (фиг. 1) и постоянный сигнал G, Выход элемента 79 связан с блоком 81 деления, второй вход которого соединен с блоком 82 умножения, входами которого в свою очередь являются сигналы от датчиков 34 и 8. Выход блока 81 связан с блоком 83 деления, второй вход которого соединен с датчиком 34, а выход - с регулятором 13 и блоком 84 деления. Второй вход последнего связан с сумматором 80, а выход - с сумматором 85, второй вход которого соединен с датчиком 8. Выход сумматора 85 связан с регулятором 10.

Способ осуществляется следующим образом.

Расход раствора на ферментер 1 и выпарной аппарат 3 регулируют соответственно регуляторами 7 и 10, на которые поступают сигналы от датчиков 5 и 8 расхода и которые путем выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы 6 и 9 обеспечивают выполнение централизованного задания по выпуску продукта. Расход раствора на выходе выпарного аппарата регулируется регулятором 13 соотношения в зависимости от сигналов, поступающих от датчиков 8 и 11 путем воздействия на исполнительный механизм 12. Величину соотношения устанавливают таким образом, чтобы выполнялось равенство

45

Ьк - Ь„ GJG,.

0

где G

G. Ь„ значение расхода, измеряемого датчиками 8 и

11;

значение концентрации раствора перед выпарным аппаратом, измеряемое датчиком 34.

Расход воздуха на ферментер регулируется регулятором 16 в зависимопутем воздействия на исполнительный механизм 15. Регулирование расхода пара на выпарной аппарат 3 произво5137373

дится регулирующим контуром: датчик 26 расхода, регулятор 28 и исполнительный механизм 27.

При изменении уровня в емкостях 2 и 4, значение которого измеряется датчиками 20 и 23 соответственно, в дифференцирующих блоках 21 и 24 определяется скорость его изменения. В блоках 22 и 25 сравнения производится Q сравнение значения уровня и скорости его изменения с допустимыми граничными значениями

Н

dHt, и ;;г:- d I

При отсутствии нарушения границ управление .величиной нагрузки на ферментер и выпарную установку осуществляется согласно ранее принятому заданю. При нарушении хотя бы одного условия для емкости Е, на блок 31 выдается сигнал для выработки нового задания на ферментацию и выпарку. Расчет задания осуществляется с уче- том состояния этих процессов, определяемого соответственно в блоках 19 и 30. Состояние процесса ферментации определяется по величине удельного потреблеп .я кислорода культурой по формуле

К

QjilCu.i-Cil

I1F

(1)

где Q - расход воздуха, измеряемый

датчиком 14;

И - уровень в ферментере с сечением F измеряемый датчиком 18;

С С J - концентрация СО g в воздухе, поступающем и отходящем, .измеряется концентратоме- ром 17,

Определение состояния процесса ферментации осуществляется по уравнению (1) в блоке 19 цепочкой бло- ков 35-38 (фиг. 2), Зная состояние процесса, можно определить имеются ли

резервы для увеличения производительности ферментации.

Это возможно при соблюдении следу- ющих условий:

G ф7 + & G t G К , , Но.-; Н

(2)

MQKC

Проверка условий (2) осуществляется в блоке 19, 39, 42, 43 и элемента И 40 и 41, Назначение элемента И - оценить одновременное выполнение

5

0

0

5

0

5

16

условий (2). При этом на выходе элемента 40 появится сигнал, поступающий на блок 31 (фиг. 1), на элементы И 44-46 (фиг. 2).

При несоблюдении условий (2), которые проверяются элементом 41, осуществляющем функцию И, сигнал также вьщается на блок 31, а именно на менты И 56-58. В блоке 31 производится расчет нового задания регулятором 7 и 10 таким образом, чтобы производительность технологической линии возросла. Пересчет задания осуществляется в том случае, если имеет место сигнал от блока 19 и сигнал от блоков 21 и 22 6 нарушении границ изменения уровня или провышения скорости его изменения (сигнал от датчика 20 уровня). Нарушение условий H-j - мин -dH/d р , где f. и р - граничные значения, говорит о том, что производительность выпарной установки значительно превышает производительность ферментации. При выполнении неравенств (2) (сигнал от элемента 40) имеются условия для увеличения производительности ферментации. Новое задание регулятору 7 рассчитывается в блоке 31 по формуле

-G Sr-G,t ;г з)

где G . , G - текущая производительность вьтарки и ферментации;

F - сечение емкости Е ; &Н, - изменение уровня за

время &7 : дН Н

- т;

Н - номинальное значение

уровня И емкости.

Расчет задания осуществляется на сумматоре 49, когда поступает три сигнала: ) от датчика 8 через элемент ИЛИ 47 при соблюдении условий (2) - сигнал от элемента И 44, G от датчика 5 через элемент ИЛИ 50 при соблюдении условий (2) - сигнал от элемента 46, сигнал H/(it F от блока 54 умножения сигналов через элемент И 45 и элемент ИЛИ 52. Рассчитанное задание с сумматора 49 поступает через инвертор 55 на регулятор 7.

Нарушение условий (2) означает, что при данном состоянии процесса производительность ферметера максимальна, и для согласования производительности производства необходимо изменить задание на выпарку. При появлении сигнала с блока 19 на элементы И 56-58 блока 31 производится расчет нового задания регулятору 10

лС G,

Г ц. 1г

Расчет по формуле (4) производитсяJQ в сумматоре 61 блока 31, на входы которого поступают сигналы: от блока 22 и блока 54 умножения сигнал

-:;: . F , через элементы И 60 и ИШ 59 от датчика 5 через элементы И 63 и ИЛИ 62 сигнал , от датчика 8 через элементы И 65 и ИЛИ 64. Сигнал от сумматора 61 через инвертор 66 поступает на регулятор 10.

20

Резкое возрастание уровня в емкости Е и нарушение границ Н-

свидетельствует

м.кс .

о снижении производительности выпар-

ной установки. При этом в блоке 30 анализируется возможность увеличения ее производительности. Для этого определяется состояние установки по формуле

, .,

W

Q - расход пара, измеряемый

датчиком 26;

W - количество выпаренной влаги, определяемое по разности значений датчиков расхода 8 и 11

W G - G,n

- удельная теплота конденсации пара, является функцией давления и определяется по показа- , ниям датчика 29

R 537Р

-0,03

- 1,83Р + 5,8.(6)

На фиг. 3 представлена структурная схема блоков 30 и 32. Расчет значе- ния RV, по уравнению (6) осуществляется цепочкой сумматора 68 и блоков 69-70 умножения, причем на блоки 69- 70 умножения поступает сигнал от датчика 29 давления. Вычисленное значе- ние РЯ с сумматора 68 поступает на вход блока 67 умножения, на второй вход которого поступает сигнал от

JQ

датчика 26 расхода пара. В блоке 67 умножения производится расчет числи- Tej уравнения (5) . Выходной сигнал поступает на блок 71 деления, на второй нход которого поступает значение W, вычисленное в сумматоре 72 по показаниям датчиков 8 и 11. Выходным CIiгнaлoм блока 71 является показатель q, отражающий состояние процесса выпаривания, зная которое можно оценить наличие резервов на выпарке. Для этого в блоке 31 производится проверка условий

з 20

25

30

,

35

40

,

)

55

Ч S ч ГИ Q КС Р/ Р

г - г окс

bon (7)

ЧП Hk H

HTg i l-OKc ,

где P - давление пара в греющей камере;

Ч7п уровень в емкости Е .

Проверка условий (7) осуществляется следующим образом.

Сигнал от блока 71 поступает на блок 73 сравнения, где значение сравнивается с граничньлм значением .

MI С

Выходной сигнал блока 73 поступает на элементы И 74 и 75. Сигнал от датчика 29 поступает на блок 77 сравнения, где сравнивается с заданным значением Р . . Выходной сигнал

пчг блока 77 поступает на второй вход элементов 74 и 75. На третий вход этих элементов поступает сигнал от блока 76 сравнения, где производится проверка значения уровня в Е по показаниям датчика 23. На четвертый вход этих элементов 74 и 75 поступает сигнал от блока 78 сравнения, где производится выполнение условий

Ьмин Ь ijn Ьмокс

Элемент 74 выдает выходной сигнал при одновременном выполнении всех условий (7), При невыполнении хотя бы одного условия сигнал появится на выходе элемента 75.

При выполнении условий (7) очевидно, ч о выпарка загружена не полностью и ее производительность можно увеличить. Выходной сигнал с элемента 74 поступает в блок 31 для расчета нового задания регулятору 10

uGv

&К

где А Н,

F, G,,-- G,,,

MQKt КОМ

При этом расчет по уравнению (8) осуществляется, если на вход сумматора 61 поступают сигналы от элементов И 56-58 через элементы ИЛИ 59, 62 и 64, разрешающим условием для которых является сигнал от элемента 74 (фиг. 3), поступающий на элементы 60, 63 и 65.

На регулятор 10 выдается сигнал с сумматора 61 об изменении задания по уравнению (8), если на инвертирующий вход инвертора 66 поступает сигнал от элемента 74. Иначе задание рассчитывается по уравнению (4).

Если условия (7) не выполняются, это означает, что при данном состояНИИ греющих поверхностей выпарка загружена максимально, и для согласования работы участков производства необходимо изменить задание на ферментацию. Сигнал об этом поступает с блока 30 (выходной сигнал элемента 75) и на блок 31 (входные сигналы элементов 48, 51 и 53 и инвертора 55). Задание регулятору 7 рассчитывается следующим образом

Л(р ,- - R,

iHj.F

дГ I

(9)

При расчете задания регулятору 7 по уравнению (9) на сумматор 49 поступают сигналы от датчиков 5 и 8 и блока 22, но при этом разрешающим условием для их прох.ождения является сигнал от элемента 75. Поэтому сиг- налы от датчиков 5, 8 и .блока 22 поступают сначала на элементы И 48, 51, 53, на второй вход которых поступает сигнал от элемента 75, а затем через элементы UTIi 47, 50 и 52 на входы суу-гматора 49. Выходной сигнал сумматора через инвертор 55 поступает на регулятор 7, если имеется сигнал от элемента 75.

При изменении уровня в емкости Е сигнал от датчика 23 поступает в дифференцирующий блок 24, а затем на блок 25, где производится сравнение значения уровня в емкости и скорости его изменения с граничными значениям

,.,

Н

ими

Н

Н

dT

При отсутствии нарушения границ управление величиной расхода упаренного раствора производится по ранее выбранному заданию. Нарушение хотя бы одного условия означает появление рассогласования производитель

ности участков производства, для устранения которого необходимо поступление сигнала на блок 32 для изменения задания на регулятор 13 соотношения и регулятор 10 расхода раствора на выпарку.

При переполнении емкости Е , когда

Н7, Н или 5 V 1, необхо макс л I

димо уменьшить расход упаренного раствора, поступающего в емкость таким образом, чтобы производительность выпарки не уменьшилась. Для этого в блоке 30 проводится анализ условий (7). При их выполнении с элемента 74 на блок 32 поступает сигнал об изменении задания регулятору 13 соотношения

ь /ь;,,

(10)

где bу - новое значение концентрации упаренного продукта, определяется:

5iL

- G - ьСуд ,

(11) (12)

,„ G, -G,, - -f/- 3)

где G (. - значение расхода раствора из емкости Е на сушку;

С const.

Расчет задания регулятору 13 производится в блоке 32 по уравнению (10) следующим образом.

По уравнению (12) путем подстановки в него значения С из уравнения (13) в сумматоре 80 рассчитывается значение сигналам от блока 25 (фиг. 1) и Gg const. При разрешении от блока 30 (сигнал от элемента 74 на входе элемента И 79 сигнал G|J поступает на блок 81 деления, на второй вход которого поступает сигнал от блока 82 умножения, где производится расчет числителя уравнения (11) по сигналам от датчи- KGH 8 и 34. После расчета в блоке 81 з сачения Ь сигнал передается на блок 83 деления, где с учетом значения концентрации Ь (сигнал от датчика 34) производится расчет нового значения величины соотношения для регулятора 13.

В блоке 32 происходит также изменение задания и регулятору 10

ас.

Ц. KC

(14)

Для этого в блоке 84 деления производится расчет первого слагаемого

уравнения (14):

G ijn

84поступают сигналы Суп от элемента 79 и К от блока 83. В сумматоре

85производится расчет значения лС. по сигналам от блока 84 и датчика 8, Расчитанное значение передается на регулятор 10.

При нарушении условия Ь. происходит выдача нового задания только на регулятор 10.

При определении емкости Е, когда HT: Н , необходимо увеличить производительность выпарки. Для го увеличивают расход упаренного раствора, поступающего в емкость. В блоке 30 производится проверка условий (2), при их соблюдении на блок 32 поступит сигнал об изменении задания регуляторам 13 и 10 аналогично предыдущему случаю. При нарушении условия byj, T: Ъ задание меняется только регулятору 10.

Использование данного способа управления производительностью снежных участков позволяет по сравнению с известным увеличить производительность производства на 1,5%.

Формула изобретения

15

20

Способ автоматического управления производительностью смежных участков в микробиологической установке, предусматривающий регулирование расхода раствора, поступакнцего в выпарной

чающийся тем, что, с целью повышения производительности, регулируют подачу раствора и воздуха в ферментер, измеряют концентрацию от- ХОДЯ1ДИХ газов и уровень в ферментере и давление пара, пост наюигего в выпарной аппарат, и регулируют подачу пара, осуществляют и: :-1р-ение уровня и

На входы блока «п скорости изменения его в двух буферных емкостях и сравнивают с граничными значениями, а задание длк регупиро- вания подачи раствора н ферментер определяют в зависимости от состояния ферментера и выпарного аппарата и результата сравнения уровня и скорости его изменения в одной из буферных емкостей с, граничными пределами, задание на регулирование подачи раствора во вторую буферную емкость определяют в зависимости от состояния ферментера и выпарного аппарата и кон- центрации раствора на входе в выпарной аппарат и результата сравнения уровня раствора на входе выпарного аппарата и скорости его изменения во второй буферной емкости с граничными значениями, и регулирование расхода раствора, поступающего в выпарной аппарат, осуществляют с учетом задания для регулирования подачи раствора в ферментер или во вторую буферную емкость, при этом состояние ферментера устанавливают в зависимости от расходов раствора и воздуха, по- 35 ступающих в ферментер, уровня в ферментере и концентрации уходящих газов из ферментера и состояние выпарного аппарата устанавливают в зависимости от расходов раствора и пара, поступающих в выпарной аппарат, расхода раствора, поступающего во вторую буферную емкость, и давления поступающего пара, причем регулирование подачи раствора во вторую буферную

25

30

40

аппарат и в буферную емкость, и из- 45 емкость осуществляют с учетом кон- мерение концентрации раствора на вхо- центрации раствора, поступающего в де выпарного аппарата, о т л и - выпарной аппарат.

(14)

15

«п 35

20

«п 35

«п 35

25

«п 35

30

«п 35

40

Omdl

(. f9

Omdl7

ffjfo Jf

0/77 /r.7

cpi/г.г

30

Ошд.2б

Отд.И

д. 8

1

г

69

12

н

68

f/0 ,5/,53,55

Блок 32

На ре г. Ю

ffm.dJ

0/77 d 23

/nt

Of

С,

f /nfflf

Г

8{/л jfft

/7

Но ,65,66

G,

L

I

О/л .25

Но ре. f3

сриг.З