Modernization of Laboratory of Recycling Technology Nové vybavení laboratoře recyklačních technologií

Transkript

1 XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, Modernization of Laboratory of Recycling Technology Nové vybavení laboratoře recyklačních technologií DOLINAY, Jan 1 & VAŠEK, Vladimír 2 1 Ing., Institut Řízení Procesů a Aplikované Informatiky, UTB ve Zlíně, Nad Stráněmi 4511, Zlín, dolinay@ft.utb.cz 2 prof. Ing. CSc, Institut Řízení Procesů a Aplikované Informatiky, UTB ve Zlíně, Nad Stráněmi 4511, Zlín, vasek@ft.utb.cz Abstrakt: Tento článek popisuje projekt komplexní modernizace laboratoře recyklačních technologií. Laboratoř slouží k experimentálnímu ověřování a dalšímu výzkumu technologie vyvinuté na našem institutu [Kolomazník, 2004] pro recyklaci chromitého odpadu produkovaného v koželužském průmyslu. Cílem modernizace bylo nahrazení staršího a mnohdy nevyhovujícího technického vybavení moderními prostředky pro automatické řízení. Použité prostředky a celková koncepce byly voleny mimo jiné také s ohledem na využití laboratoře k výukovým účelům, k demonstraci praktického nasazení moderních prostředků automatického řízení. Celá technologie je v laboratoři rozdělena na 5 pracovišť, z nichž 4 jsou přímo spojena s technologií a jedno je nadřazené. Koncepce zapojení pak vychází z hierarchické struktury, kde na vrcholu je centrální počítač propojený s jednotlivými pracovišti technologie pomocí průmyslového Ethernetu a duplicitně i pomocí bezdrátové sítě WiFi či GSM. Na jednotlivých technologických pracovištích je pak použito průmyslové PC s dotykovým displejem, průmyslový počítač rozměru PDA a 2 PLC automaty. Na nejnižší úrovni jsou kombinovány jak standardní senzory s výstupem 4-20 ma, tak i inteligentní senzory propojené pomocí sériového rozhraní či sběrnice MODBUS v případě specializovaného měřícího systému Pepperl+Fuchs. V současné době je realizováno fyzické zapojení jednotlivých pracovišť a současně probíhá v rámci několika diplomových prací návrh programového vybavení a oživování výpočetní techniky a její propojování se snímači a akčními členy. Keywords: koželužský odpad, recyklace chrómu, Advantech, průmyslový Ethernet 1 Úvod Hlavním způsobem zpracování přírodních usní v koželužském průmyslu zůstává činění pomocí solí chrómu. Je tomu tak i přes to, že jedna z jeho forem, šestimocný chrom, je vysoce toxická a je prokázáno, že má karcinogenní účinky. Přes pokusy nahradit chrom jinými činidly se totiž zatím nepodařilo najít náhradu, která by dávala porovnatelné výsledky jak z hlediska kvality výsledného produktu tak i nákladů. Z tohoto důvodu se jeví i do budoucna nahrazení chrómu v koželužské technologii jako nepravděpodobné. Problémem je, že v koželužské technologii vzniká velmi velké procento odpadů. Přibližně jen 20% surové kožní hmoty se transformuje na finální produkt (useň). Zbytek tvoří odpady v různé formě. Část těchto odpadů obsahující chrom pak představuje velkou zátěž pro životní prostředí a ve svém důsledku vzhledem k nákladům na jejich likvidaci ovlivňuje celkovou efektivitu výroby.

2 XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, Jak již bylo uvedeno, jeví se nahrazení chrómu při zpracování usně jako nepravděpodobné a je tedy žádoucí hledat možnosti efektivní likvidace koželužského odpadu obsahujícího chrom, respektive recyklace chrómu z těchto odpadů. Problém přitom není technologické řešení likvidace odpadů, ale především ekonomické aspekty tohoto procesu. Na našem institutu byla vyvinuta unikátní technologie recyklace chromitého odpadu [1], která si již získala celosvětový ohlas. Za účelem dalšího výzkumu a zlepšování je v laboratorních podmínkách realizován model této technologie. V nedávné době bylo rozhodnuto o celkové rekonstrukci a modernizaci vybavení uvedené laboratoře. Tento článek se zabývá koncepcí návrhu a výslednou podobu uvedené modernizace. 2 Stručný popis technologie a laboratoře Z hlediska ekonomického i ekologického se pro zpracování chromočiněných odpadů jeví nejvýhodnější využití enzymatické hydrolýzy. Technologie pro toto zpracování je realizována v popisované laboratoři. Pomocí této technologie je možno obdržet enzymatický hydrolyzát téměř bez obsahu chrómu při méně než 1% násadě drahého enzymu, přičemž chromitý filtrační koláč je možné recyklovat. Celý proces pro zpracování kožedělných odpadů pomocí enzymatické hydrolýzy je možno rozdělit na 4 pracoviště a to: fermentace, filtrace, sušení (odparka) a recyklace. Prvním krokem je chemická reakce v bioreaktoru (fermentoru). Produkt této reakce se následně řízeným způsobem filtruje a výsledný produkt se suší v podtlakové odparce. Filtrační koláč z pracoviště filtrace je dále naplněn do kalolisu čtvrtého pracoviště, recyklace, kde je využit k odstranění chrómu z koželužské chromité odpadní vody. Na tomto pracovišti se kapalné koželužské odpady obsahující chróm promývají přes filtrační koláč tak dlouho, až obsah chrómu poklesne pod stanovenou mez. Aby všechny technologické procesy probíhaly co nejrychleji (a tím i úsporně), je nutno vytvořit vhodné provozní podmínky. Při procesu fermentace to představuje zajištění vhodné teploty, ph a rychlosti míchání. Ve druhé fázi, tj. ve fázi filtrace, se reguluje teplota, podtlak za filtračním papírem a výška hladiny, ve třetí fázi (odpařování) pak teplota, podtlak a výška hladiny filtrátu v odparce a v poslední fázi (recyklace) se měří a řídí teplota, tlak a barevnost roztoku. Všechna zařízení jsou sestavena v laboratorních podmínkách na našem pracovišti. 3 Cíle modernizace Cílem modernizace bylo vybavit laboratoř moderní výpočetní technikou a dalšími prostředky automatického řízení a to nejen s ohledem na samotnou technologii, ale také na možnou demonstraci těchto technických prostředků studentům naší univerzity v rámci výuky. Rámcově lze cíle definovat takto: použití moderních prostředků výpočetní techniky na místě řídících počítačů použití inteligentních senzorů propojení jednotlivých částí pomocí průmyslových sběrnic připojení celé technologie na nadřazený systém použití moderního programového vybavení s vizualizací V následující části bude popsáno zvolené řešení. S ohledem na rozsah celé technologie se omezíme jen na stručný přehled základních parametrů.

3 XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, Realizace modernizace 4.1 Celková koncepce Na obrázku 1 je schématicky znázorněno celkové rozložení technologie z hlediska použitých zařízení. Obrázek 1 Celkové schéma řídicího systému Stěžejní části systému jsou postaveny na technologii firmy Advantech. Jak je vidět z obrázku, na nejvyšší úrovni řízení je použit osobní počítač v průmyslovém provedení typu BOX PIV. Tento počítač má sloužit především jako nadřazené pracoviště, odkud je možno sledovat celou technologii. Při použití příslušného programového vybavení se ovšem počítá i s možností jednotlivé technologie z tohoto pracoviště přímo řídit. Počítač je v konfiguraci odpovídající současnému standardu, tj. procesor Pentium 4, 3 GHz 512 MB RAM, pevný disk s kapacitou 160 GB, operační systém Microsoft Windows XP Profesionál. Propojení mezi centrálním počítačem a jednotlivými pracovišti je realizováno průmyslovým Ethernetem. Ve fyzické vrstvě je použit Ethernet switch v průmyslovém provedení ADAM 6520-B, který podporuje přenosové rychlosti 10/100 Mbps. Propojení tohoto počítače s pracovištěm recyklace je realizováno také duplicitně pomocí bezdrátového Ethernetu (Wi-Fi). Toto propojení je postaveno na standardních prvcích, centrální počítač vytváří přístupový bod a podřízená pracoviště se mohou připojit k tomuto bodu. Centrální počítač a počítač na pracovišti recyklace jsou navíc vybaveny GMS modemy, tak, aby bylo možno demonstrovat i tuto perspektivní technologii při použití v praktické řídicí aplikaci. V následující části budou podrobněji popsána jednotlivá pracoviště.

4 XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, U pracovišť fermentor a filtrace bylo rozhodnuto o ponechání stávajícího vybavení založeného na řídících PLC firmy Saia, pouze s případnými změnami na místě snímačů a akčních členů. Pro začlenění těchto zařízení do sítě Ethernet jsou použity moduly konvertoru Ethernet na RS 232/422/485 ADAM 4571-A. Jedná se o zařízení, které vytváří virtuální sériovou linku prostřednictvím sítě Ethernet. Z hlediska nadřazeného počítače se celé zapojení jeví jakoby bylo PLC připojeno přímo k sériovému portu tohoto počítače. Podporována je přenosová rychlost až 230 kb za sekundu. U zbývajících dvou pracovišť, odparka a recyklace, bylo navrženo kompletně nové řešení a proto se jimi budeme zabývat podrobněji. 4.2 Pracoviště recyklace Jako základ na tomto pracovišti je použit průmyslový počítač Panel PC PPC-L126T-R70 s dotykovou obrazovkou. Tato obrazovka s úhlopříčkou 12 spolu s operačním systémem Windows XP by měla zajistit komfortní obsluhu a vizualizaci technologie přímo na pracovišti. Počítač je osazen procesorem Via 667 MHz s nízkou spotřebou, což umožňuje použití pouze pasivního chlazení, 256 MB paměti RAM a pevným diskem s kapacitou 40 GB. Pro zálohování v případě výpadku napájení slouží baterie s kapacitou 4 Ah. Propojení se snímači a akčními členy je realizováno prostřednictvím modulů ADAM přes sériovou linku, jak je patrné z obrázku 2. Tyto moduly vytvářejí síť založenou na RS 485, která je připojena k řídicímu počítači pomocí sériového portu RS 232 prostřednictvím modulu ADAM 4520, což je konvertor RS 232/RS485,m který umožňuje transparentně připojit zařízení s rozhraním RS 485 k zařízení vybavenému rozhraním RS 232. Modul podporuje komunikační rychlost až 115,2 kbps, je vybaven přepěťovou ochranou a automatickým řízením toku dat na RS 485. S ohledem na připojení snímačů příslušných veličin jak to vyžaduje proces recyklace, jsou na úrovni sběrnice RS 485 použity následující moduly: Modul digitálních výstupů ADAM 4056S pro ovládání akčních členů, jako ke čerpadlo a především solenoidové ventily. Protože modul obsahuje 12 výstupů s otevřeným kolektorem, max. 40V/200 ma, budou akční členy připojeny přes reléový blok. Modul analogových vstupů ADAM 4017B pro snímače s proudovým nebo napěťovým výstupem. Tento modul je vybaven osmi analogovými vstupy s nezávisle nastavitelným rozsahem. Vstupy jsou chráněny optickým oddělením proti přepětí do 3000 Vss. Modul vstupního čítače ADAM 4080-D pro připojení průtokoměru (popř. i jiného snímače) s impulsním výstupem. Modul poskytuje dva kanály pro čítání impulsů. Vstupy jsou vybaveny programovatelným časovačem, který umožňuje měřit frekvenci a také konfigurovatelným filtrem pro potlačení šumu. Modul konvertoru RS 232/485 ADAM 4521-A pro připojení inteligentního snímače barevnosti. Snímač pro měření barevnosti si zaslouží zvláštní pozornost. Měření barevnosti roztoku se používá jako podklad pro vyhodnocení obsahu chrómu. Na základě tohoto ukazatele se pak usuzuje jestli už obsah poklesl pod požadovanou mez a je možno ukončit dechromační cyklus. Vzhledem k poměrně složitým podmínkám měření a požadavkům na citlivost představuje nalezení vhodného snímače značný problém. Nakonec byl zvolen RGB detektor barvy typu HSCD 16 od firmy M.U.T. Tento snímač se používá např. v medicínských aplikacích pro třídění zkumavek se vzorky.

5 XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, Obrázek 2 Zapojení pracoviště recyklace 4.3 Pracoviště odparka Toto pracoviště bude řízeno pomocí průmyslového počítače TPC 650 T - CE. Jedná se o panelové PC s dotykovou obrazovkou o úhlopříčce 5,7. Tento typ počítače bývá označován jako průmyslové PDA. Hlavní znaky systému jsou: dotyková obrazovka, CPU Intel Pentium 266 MMX a 32 MB paměti DRAM, možnost práce s paměťovými kartami Compact Flash, operační systém Windows CE. Z hlediska komunikace je počítač vybaven jedním slotem PC/104, 2 sériové porty z nichž jeden může pracovat v režimu RS 422/485, Ethernet port a zásuvku PS/2 pro případné připojení myši a klávesnice. Snímače a akčními členy se s počítačem propojují prostřednictvím modulárního systému firmy Pepperl+Fuchs s gateway KSD2-GW2. Samotné PDA komunikuje s gateway po lince RS 485 pomocí protokolu MODBUS. Systém obsahuje kromě gateway i reléové moduly KSD2-RO-2 pro ovládání akčních členů a analogové vstupní moduly KSD2-CI-2 pro připojení měřících prvků. Analogové moduly KSD2-CI-2 umožňují připojit standardní snímače s výstupem 4-20 ma nebo inteligentní snímače s podporou protokolu HART.

6 XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, Obrázek 3 - Zapojení pracoviště odparka 5 Programové vybavení Jako základ celého řídícího systému bude použito programové vybavení Control Web firmy Moravské přístroje a.s. [3]. Jedná se o komplexní systém pro rychlý vývoj aplikací (RAD) umožňující jak vytváření přímo řídích aplikací pracujících v reálném čase tak i komfortní realizaci vizualizace technologických procesů. Pro spojení s technologií jsou dodávány příslušné ovladače. Na nejnižších úrovních pak bude použit jednak specializovaný software dodávaný výrobci jednotlivých zařízení, a také vlastní software, který bude podle potřeby vytvořen. Pro naše účely budou požity následující komponenty systému Control Web: Control Web 5, vývojová verze Control Web 5, runtime verze Control Web 2000, vývojová verze Control Web 2000, runtime verze pro Windows CE Control Web 2000, runtime builder pro Windows CE Control Web ovladač pro MODBUS RS 485 pro Windows CE Control Web ovladač pro ADAM 4000/5000

7 XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, Závěr V článku je popsán projekt komplexní modernizace laboratoře recyklačních technologií, která slouží k experimentálnímu ověřování a dalšímu výzkumu technologie vyvinuté na našem institutu pro recyklaci chromitého odpadu produkovaného v koželužském průmyslu. Cílem modernizace je nahrazení staršího a mnohdy již nevyhovujícího technického vybavení moderními prostředky pro automatické řízení. Použité zařízení a celková koncepce byly zvoleny mimo jiné také s ohledem na využití laboratoře k výukovým účelům, k demonstraci praktického nasazení moderních prostředků automatického řízení. Celá technologie je v laboratoři rozdělena na 5 pracovišť, z nichž 4 jsou přímo spojena s technologií a jedno je nadřazené. Koncepce zapojení pak vychází z hierarchické struktury, kde na vrcholu je centrální počítač propojený s jednotlivými pracovišti technologie pomocí průmyslového Ethernetu a duplicitně i pomocí bezdrátové sítě WiFi či GSM. Na jednotlivých technologických pracovištích je pak použito průmyslové PC s dotykovým displejem, průmyslový počítač rozměru PDA a dva PLC automaty. Na nejnižší úrovni jsou kombinovány jak standardní senzory s výstupem 4-20 ma, tak i inteligentní senzory propojené pomocí sériového rozhraní či sběrnice MODBUS v případě specializovaného systému Pepperl+Fuchs. V současné době je realizováno fyzické zapojení jednotlivých pracovišť a současně probíhá v rámci několika diplomových prací návrh programového vybavení a oživování výpočetní techniky a její propojování se snímači a akčními členy. Tato práce je podporována z grantu GA CZ číslo 102/03/0625 a výzkumného záměru MSM Použitá literatura KOLOMAZNÍK, K., VAŠEK, V., ZELINKA, I., MLÁDEK, M. & LANGMAIER, F., Automatic control of recycling technology for chromium from liquid and solid tannery waste. JALCA - Journal of the American Leather Chemists Association, Vol POKORNÝ, P., VAŠEK, V, Řízení technologického procesu fermentace. Automa číslo 4/2004. Moravské Přístroje a.s. Prezentace firmy [online]. <URL: