6 Вопрос
Общие сведения об автоматическом управлении химико-технологическими процессами
1.1. Цель управления химико-технологическим процессом
Химико-технологическая система (ХТС) функционирует нормально, если ее режимные параметры (температура, давление, расход, состав и т.п.) не отклоняются существенным образом от расчетных значений. Для обеспечения нормального функционирования технологической системы ею надо управлять.
Управление – процесс, обеспечивающий необходимое, в соответствии с целевым назначением, протекание химико-технологического процесса (ХТП) путем изменения материальных и энергетических потоков. Технологический процесс, с точки зрения управления, называется объектом управления.
Система управления – это система, объединяющая объект управления и, собственно, управляющую систему.
Управляющая система осуществляет сбор информации о состоянии объекта управления, возмущающих воздействий и состояния внешней среды.
На основе полученной информации принимаются решения по управлению и вырабатываются управляющие воздействия.
1.2. Функциональная структура АСУ ТП
В современных производствах задача управления технологическим процессом осуществляется автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП). АСУ ТП – это комплекс, объединяющий технологический процесс, технические средства сбора, обработки, преобразования информации, программного, алгоритмического и математического обеспечения и оперативного персонала.
Функциональная структура АСУ ТП представляет собой многоуровневую иерархическую структуру.
Рисунок 1
Нижний уровень представляет технологический процесс и технические средства получения информации (Д) и реализации управляющих воздействий (ИМ).
“Защита” – подсистема комплексных средств автоматической защиты и блокировок.
“Стабилизация” – подсистема выработки управляющих сигналов и средств автоматического регулирования технологических параметров.
“Оптимизация” – подсистема расчета оптимальных параметров технологического процесса в соответствии с принятыми критерием и целями функционирования технологического процесса.
“Идентификация” – подсистема расчета параметров математических моделей технологического процесса.
“Координация” – подсистема расчета технико-экономических показателей (ТЭП), ввода в систему директив и указаний руководства предприятия и передача информации в другие системы управления предприятием для общей координации управления предприятием.
АСУ ТП – это человеко-машинная система. Функции системы могут быть реализованы в двух режимах ее работы:
автоматизированном, в котором осуществляется автоматический сбор и обработка информации и выработка рекомендаций по управлению, а реализация управляющих воздействий осуществляется оператором;
автоматическом, в котором выработка и реализация управляющих воздействий осуществляется автоматически управляющими устройствами без участия оператора.
Структурная схема взаимодействия оператора и системы управления представлена на рисунке 2.
Рисунок 2
Здесь:
АСР – автоматическая система регулирования,
СОИ – система отображения информации,
ДУ – органы дистанционного управления.
В системе несколько контуров управления:
I контур – автоматизированное;
I I контур – автоматическое;
I I I контур – система, в которой задание изменяет оператор, а управляет технологическим процессом АСР.
Таким образом в системах управления происходит переработка информации о состоянии объекта управления, выработка управляющих воздействий и передача ее в виде сигналов от объекта в управляющую систему и от управляющей системы к объекту управления.
1.3. Задача анализа и синтеза АСР
Технологический процесс как объект управления характеризуется входными и выходными переменными.
На структурной схеме объекта управления (рисунок 3) выделяются соответствующие группы переменных.
Рисунок 3
– вектор входных переменных, характеризует состояние процесса и называют управляемыми (регулируемыми) параметрами. Это такие параметры, как температура, давление, состав, концентрация, расход и т.п.
– вектор входных переменных, называемых управляющими (регулирующими) воздействиями. К ним относятся параметры, с помощью которых можно изменять материальные и энергетические потоки, в основном расход, давление, температура и т.п.
– вектор входных переменных, называемых возмущающими воздействиями, являющихся внешними воздействиями по отношению к объекту. Это параметры, связанные с изменением режимов работы процесса и внешней среды такие, как изменение расходов, температур, давлений, состава сырья и т.п.
Переменные процесса связаны между собой функциональными зависимостями, и рассматриваются их изменения во времени.
Соответственно, должна быть решена задача анализа системы, определено состояние объекта как функция регулирования, возмущающих параметров и времени
и задачи синтеза, расчета регулирующих воздействий в соответствии с заданным критерием
АСР представляет систему, состоящую из последовательно соединенных элементов, выполняющих определенные функции (рисунок 4).
Рисунок 4
Действительное значение регулируемого параметра (X) с помощью датчика “Д” преобразуется в сигнал (Xg) и поступает на элемент сравнения “ЭС”, на который поступает заданное значение (Xзд) регулируемого параметра. В “ЭС” вырабатывается сигнал рассогласования (DX), поступающий на регулирующее устройство “РУ”, в котором сигнал усиливается и формируется регулирующее воздействие (Xр) в соответствии с принятым законом регулирования. Регулирующее воздействие поступает на исполнительный механизм “ИМ”, который перемещает регулирующий орган “РО”, изменяя, соответственно, расход вещества или энергии так, чтобы привести регулируемый параметр к заданному значению.
При анализе АСР принято рассматривать упрощенные блок-схемы, в которых элементы “Д”, “ИМ”, “РО” относят к объекту регулирования (рисунок 5).
Рисунок 5
Здесь X – регулируемый параметр,
Xз – заданное значение регулируемого параметра,
Xв – возмущающее воздействие,
Xр – регулирующее воздействие.
Теоретической базой создания автоматических систем регулирования является теория автоматического управления (ТАУ), которая изучает общие принципы построения автоматических систем и методы их исследования, решает задачу анализа и задачу синтеза.
В задачу анализа входит исследование устойчивости и качества работы АСР, в задачу синтеза входит построение схем регулирования, выбор законов управления, расчет параметров отдельных элементов системы.
Задачей курса является изучение основ ТАУ ХТП.