Biokaasureaktorin automatisointi : Laboratoriomittakaavan biokaasureaktorin suunnittelu ja rakentaminen

Abstract

Insinöörityön tavoitteena oli suunnitella, rakentaa ja ottaa käyttöön panostoiminen laboratoriomittakaavan biokaasureaktori ja siihen liitettävä automaatiojärjestelmä. Laitteistolla on tarkoitus suorittaa Metropolia Ammattikorkeakoulussa biokaasun valmistukseen liittyviä tutkimus- ja kehityshankkeita.

Lisäksi tehtävänä oli määrittää reaktorin koko ja tyyppi, joka parhaiten soveltuu laboratoriomittakaavan biokaasun valmistukseen. Automaatio mahdollistaa mädätysprosessin reaaliaikaisen seurannan ja mittausdatan tallentamisen. Mittausdataa voidaan hyödyntää mädätysprosessin optimoinnissa. Tässä insinöörityössä keskityttiin laitteistoympäristön suunnitteluun, rakentamiseen, asentamiseen, konfiguroimiseen ja dokumentoimiseen.

Laitteiston suunnittelu aloitettiin biokaasureaktorin määrittelyllä. Työtä jatkettiin prosessisuunnittelulla, jota seurasi instrumenttisuunnittelu ja automaatiojärjestelmäsuunnittelu. Biokaasureaktorin suunnittelussa huomioitiin sekä käyttöön että instrumentointiin liittyvät vaatimukset. Instrumentti- ja automaatiosuunnittelua seurasivat laitehankinnat, minkä jälkeen aloitettiin laitteiston rakentaminen ja asennus.

Laitteistorakentaminen aloitettiin prosessiasemasta ja etä-I/O-yksiköstä. Tämän jälkeen suoritettiin serveri- ja operaattoriaseman pystytys, joka piti sisällään käyttöjärjestelmien ja automaatio-ohjelmistojen asentamisen. Automaatiolaitteiston konfigurointi suoritettiin ohjelmistojen asentamisen jälkeen. Viimeiseksi tehtiin laitteistoasennukset ja kytkennät ja varmistettiin laitteistokokonaisuuden kommunikointi.

Laitteistokokonaisuus voidaan jakaa neljään tasoon, jotka ovat serveri- ja operaattoritaso, prosessiasemataso, hajautettu I/O-taso ja kenttätaso. Mädätysprosessista tehtävät pH-, redox-, paine- ja lämpötilamittaukset suoritetaan kenttätasolla. Biokaasureaktorissa on myös automaatiojärjestelmällä ohjattava sekoitin. Serveri- ja operaattoriasema ovat yhteydessä prosessiasemaan Ethernet-verkon kautta. Prosessiasema on yhteydessä hajautettuun I/O:n Profibus DP -väylän kautta.

Laitteisto valmistettiin Metropolia Ammattikorkeakoulun kemiantekniikan ja automaatiotekniikan koulutusohjelmien insinööritöinä.

The objective of this thesis was to design, build and bring into use an automated laboratory-scale biogas reactor. The purpose of the new equipment is to carry out biogas production related research and development projects in the Helsinki Metropolia University of Applied Sciences.

In addition, the task was to determine the reactor size and type which suit best for laboratory-scale biogas production. Automation enables real-time monitoring of the digestion process and recording of measurement data. The measurement data can be used to optimize the digestion process. In this thesis the focus is on hardware environment planning, construction, installation, configuration and documentation.

The hardware design was started by defining the biogas reactor. The work continued on to process planning and after that to instrument and automation system planning. Usability and instrumentation requirements were taken into consideration in planning the biogas reactor. After the instrument and automation planning, the equipment was ordered and then the construction and installation began.

Hardware construction started from the process station and the remote I/O unit. After that, the server and the operator station were assembled, including operating systems and automation software installations. Automation hardware configuration was carried out after the software installation. Finally, the hardware installation, wiring and the communication for the whole system were completed.

The whole system can be divided into four hardware levels, which are server and operator level, process unit level, distributed I/O level and field level. pH, redox, pressure, and temperature measurements of the digestion process are carried out on the field level. A blender was also connected to the biogas reactor and it is controlled by an automation system. The server and the operator station were connected to the process station by an Ethernet network. The process station was connected to the distributed I/O by a Profibus DP bus.

The system was manufactured as a thesis project in the Helsinki Metropolia University of Applied Sciences and in collaboration with the degree programs of Chemical Engineering and Automation Technology.