С 46 Скутин Е.Д

Ф.П. Туренко, д-р хим. наук, проф., зав. каф. инженерной экологии и химии СибАДА,

В.А. Дроздов, канд. хим. наук, руководитель группы «адсорбция» ИППУ СО РАН,

В.В. Красных, гл. инженер ОАО «Омскнефтехимпроект»

Системы управления химико-технологическими процессами получения органических веществ: Конспект лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. – 144 с.

Рассмотрены основные элементы и понятия необходимые при разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) по переработке и производству органических веществ в химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Приведены теоретические принципы математического моделирования химико-технологических процессов и рассмотрены методы решения оптимизационных задач, возникающих при построении и применении АСУТП. Рассмотрены вопросы адаптивного управления технологическими системами. Показаны этапы создания информационного обеспечения АСУТП на примере построения системы управления промышленной установкой для производства олефинов.

Для студентов обучающихся по специальности 250100 «Химическая технология органических веществ».

Подписано к печати 25.10. 2004. Формат 60х84 ¹/₁₆. Бумага офсетная.

Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 9. Уч.-изд. л. 9.

Издательство ОмГТУ. Омск, пр. Мира 11. Тел.: 23-02-12

Печатается по решению редакционно- издательского совета ОмГТ У.

ПРЕДИСЛОВИЕ …………………………………………………………....
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………….
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ ……..………….…
1.1. Объект управления ……………………………………………………….
1.2. Управляющая система ……………………………………………………
1.3. Система управления ………………………………………………………
Глава 2. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ …………………………….
2.1. Анализ характеристик объекта управления …………………………….
2.2. Выбор управляющих параметров ………………………………………..
2.3. Надежность управляющих систем ……………………………………...
Глава 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ……………..
3.1. Ректификация …………………………………………………………….
3.2. Абсорбция ……………………………………………………………….
3.2. Адсорбция ……………………………………………………………….
3.4. Сушка ……………………………………………………………………
Глава 4. Автоматизированные системы управления ………………
4.1. Общая характеристика АСУТП …………………………………………
4.2. Назначение, цель, функции АСУТП ……………………………………
4.3. Структура комплекса технических средств АСУТП …………………
4.4. Общесистемная документация и оперативный персонал ………………
4.5. АСУТП нефтепереработки и нефтехимии ……………………………...
4.6. Техническое обеспечение распределенных АСУТП ………………….
4.7. Применение распределенных АСУТП ………………………………….
Глава 5. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ………….
5.1. Понятие об идентификации ……………………………………………..
5.2. Общие сведения о математических моделях ……………………………
5.3. Постановка задачи идентификации ……………………………………..
5.4. Основные характеристики (функции) систем ………………………….
5.5. Оценка адекватности математической модели …………………………
5.6. Математические модели многостадийных объектов …………………...
Глава 6. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ……………….
6.1. Характеристика методов оптимизации …………………………………
6.2. Особенности оптимизационных задач управления ……………………
6.3. Оптимизация технологических процессов ……………………………
6.4. Оптимальное управление системами ректификации ………………….
6.5. Адаптивное управление технологическими процессами ………………
Глава 7. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛЕНА …………………………
7.1. Производство этилена как объект управления …………………………
7.2. Задачи управления установками.………………………………………..
7.3. Структура подсистемы оптимизации отделения пиролиза …………….
7.4. Выбор математической модели пиролизной печи ………………………
7.5. Корректировка коэффициентов адаптивной модели ……………………
Приложение А. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ …………..
Приложение Б. ИДЕНТИФИКАЦИЯ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB ……………….
Приложение В. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ………………………….
Приложение Г. ЗАДАЧИ ЛИНЕЙНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ…………….
Библиографический список ………………………………………………….

Одной из важнейших тенденций развития современного химического производства является широкое внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Конспект лекций охватывает круг вопросов, связанных главным образом с построением информационного обеспечения управляющих систем.

Первая и вторая главы посвящены изложению основных понятий теории автоматического управления, обсуждению общих принципов построения АСУТП и сравнительному анализу различных методов управления.

В третьей главе рассмотрены типовые варианты построения схем автоматизации наиболее сложных химико-технологических процессов, связанных с массобменом. Подробное изложение вопросов автоматизации всех типов процессов можно найти в книге В.А Голубятникова и В.В. Шувалова [2].

В четвертой главе дано краткое описание основных функций, структуры и комплекса технических средств АСУТП. Обсуждение вопросов использования этих систем в современной нефтехимии с привязкой к реальным производствам Омского нефтехимического комплекса проведено на основе материалов монографии [8] и учебного пособия [1].

В пятой и шестой главах излагаются общие сведения о математических моделях. Дается характеристика моделей различных классов, обсуждаются постановка и методы решения задач идентификации и оптимизации применительно к процессам химической технологии.

В седьмой главе показаны этапы создания информационного обеспечения АСУТП на примере системы управления промышленной установки по производству этилена, описанной в монографии под ред. Ю.М. Жорова [23].

Сведения справочного характера, необходимые для оформления схем автоматизации, анализа характеристик объектов управления и применения пакетов прикладных программ для решения задач идентификации и оптимизации, приведены в приложениях.

Проблема управления технологическим процессом возникла одновременно с его появлением. В то время, когда процессы были относительно простыми, функции управления выполнял человек-оператор. Ориентируясь по информации, поступающей от различных датчиков и приборов, он «вычислял» на основании своего опыта работы реакцию процесса на прилагаемые управляющие воздействия. Оператор подмечал, например, насколько надо изменить управляющие воздействия, чтобы показатель качества функционирования процесса изменился на определенную величину.

Таким образом, оператор замыкал контур управления. Он принимал решения и устанавливал значения управляющих параметров. По мере усложнения процессов оператору становилось все сложнее управлять ими, и тогда для решения задач управления стали использовать различные регуляторы. Они позволили обеспечить непрерывное управление отдельными операциями или стадиями процесса, но не были объединены в единую систему и поэтому не могли управлять процессом как единым целым. Функции управления процессом по-прежнему выполнял оператор.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), при создании которых к процессу подходят как к единому целому, представляют собой качественно более высокую ступень управления. Основная задача автоматизированного управления состоит в таком взаимосвязанном управлении всеми регуляторами процесса, при котором достигается максимальная его эффективность. Функции человека при этом сводятся к наблюдению или корректировке действий управляющей системы при возникновении возмущений, не предусмотренных программой управления.

Создание и внедрение АСУТП – сложный процесс. Сложность его обусловлена следующими причинами.

Во-первых, несмотря на единые технические средства и методы разработки, каждая из создаваемых АСУТП может считаться уникальной, так как предназначена для управления конкретным объектом с индивидуальными характеристиками.

Во-вторых, при создании и внедрении АСУТП нельзя воспользоваться обычной схемой внедрения новой техники: создание опытного образца, выпуск и апробирование небольшой партии изделий, корректировка проекта и, наконец, создание окончательного варианта. При внедрении АСУТП отсутствует возможность ее проверки до ввода в эксплуатацию, поэтому неправильные решения и ошибки приходится исправлять на действующем оборудовании.

В-третьих, создание АСУТП заключается в постепенном наращивании ее составляющих, причем освоенные ранее задачи управления не исключаются и не заменяются. Эволюция АСУТП должна тщательно планироваться заранее, на самом первом этапе.

И наконец, почти все объекты управления с течением времени претерпевают существенные изменения, что влечет за собой модернизацию внедренных задач управления. Поэтому АСУТП должны обладать адаптивностью (приспосабливаемостью).

Все перечисленные положения требуют создания и соблюдения общих принципов построения АСУТП.

Принцип первого руководителя состоит в том, что заказ на АСУТП, ее разработка и внедрение должны проводиться под непосредственным контролем первого руководителя, обладающего знаниями и правами, достаточными для успешного внедрения такой сложной системы, как АСУТП.

Принцип непрерывного развития системы. В системе должна быть заложена возможность ее развития, выражающаяся во введении в службу АСУТП подразделений по подготовке новых задач и модернизации старых на базе современных достижений науки и техники. В противном случае АСУТП может стать тормозом для функционирования объекта управления.

Принцип новых задач. При внедрении АСУТП нельзя просто перекладывать на вычислительную технику традиционно сложившиеся методы учета, планирования и оперативного регулирования. Их нужно перестраивать с учетом открывающихся новых возможностей. Полнота, своевременность и оптимальность управления объектом могут быть обеспечены только после тщательного анализа недостатков прежнего управления и связанных с ними потерь (сырья, энергии, времени и т. п.).

Технологические процессы многочисленны и разнообразны из-за вида используемого сырья, количества и формы энергоресурсов, количества стадий преобразования сырья, временных характеристик процесса, вида готовой продукции и т. д. Трудности контроля ряда параметров процессов и учета помех, недостаточная теоретическая изученность, сложность или невозможность постановки экспериментов на действующих объектах, характерные для большинства технологических процессов, превращают задачу их оптимизации в сложную научно-техническую проблему.

Для оценки качества функционирования технологических процессов вводят показатели качества, количественно выражающие степень достижения определенной цели. Выбор таких показателей является важным и ответственным этапом, включающим исследования возможностей технологического процесса, его ограничений, директивных указаний, требований потребителей продукции и т. п.

В целом качество работы объекта характеризуется численным значением критерия управления, используемым для выработки управляющих воздействий при оптимизации функционирования объектов. Наиболее распространенным критерием управления мощных производственных комплексов является прибыль. В отдельных случаях критерием служит производительность установки, или выход целевого продукта, или же один из показателей качества целевого продукта.

Для определения стратегии оптимального управления, закладываемой в АСУТП, необходимо изучить процесс и разработать его модель. Модель устанавливает качественное и количественное соотношение между входными (управляющими, контролируемыми) и выходными параметрами процесса. На ее основе выполняются расчеты, необходимые для определения управляющих воздействий.

Технологические процессы, как объекты управления, в большинстве своем нестационарны, нелинейны, многомерны, со многими внутренними обратными связями, с ограниченной априорной информацией о зависимости между входными и выходными переменными. Все эти факторы значительно усложняют получение адекватного математического описания технологических процессов как объектов управления.

Так как для описания технологического процесса часто используются уравнения, заранее либо неизвестные, либо известные приближенно, то для построения математической модели объекта необходимо решать задачу идентификации. Имеются два способа решения задачи идентификации. Первый способ – одноразовая идентификация стационарных технологических процессов, второй – текущая идентификация нестационарных процессов. Смысл текущей идентификации состоит в периодическом уточнении математической модели объекта по мере поступления новых экспериментальных данных.

При управлении нестационарными технологическими процессами с использованием математической модели необходимо по мере накопления новых данных корректировать, уточнять модель, так как только в этом случае она будет наиболее пригодна для управления. Уточняемые в процессе работы объекта математические модели получили название адаптивных.

Адаптивные модели обладают рядом преимуществ: не требуют знания законов изменения параметров объекта; управление на их основе реализуется простыми алгоритмами, обладающими большой помехозащищенностью. Может оказаться целесообразным начать управление с помощью грубой модели, а затем уточнять ее по мере поступления данных и тем самым повышать качество управления.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ