kontemirov
.pdfУправляющие функции обеспечивают поддержание экстремального значения критерия управления в условиях изменяющейся производственной ситуации. Они делятся на две группы:
-первые служат для определения оптимальных управляющих воздействий, при которых поддерживается оптимальный (или близкий к нему, т.е. рациональный) режим технологического процесса;
-ко второй группе относятся функции, обеспечивающие реализацию этого режима путем формирования управляющих воздействий на ТОУ.
Управляющие функции второй группы соответствуют традиционным функциям локальных систем автоматизации – регулированию (стабилизации или программному регулированию) и программно – логическому управлению технологическими процессами.
Вспомогательные функции обеспечивают решение внутрисистемных задач.
Для реализации функций АСУТП необходимы ее техническое, программное,
информационное, организационное обеспечение, а также оперативный персонал.
Техническое обеспечение АСУТП составляет комплекс технических средств (КТС), содержащий следующие основные элементы:
-средства получения информации о текущем состоянии ТОУ (источники информации);
-управляющий вычислительный комплекс (УВК), основу которого составляют средства вычислительной техники;
-технические средства для реализации функций локальных систем автоматизации;
-исполнительные устройства, непосредственно реализующие управляющие воздействия на ТОУ.
Выбор КТС определяется специфическими требованиями, предъявляемыми к АСУТП. Основным из них является обеспечение малого времени реакции системы на изменение состояния ТОУ. Это отличает АСУТП от организационно – экономических АСУ, в частности от АСУТП.
Для обеспечения высокого быстродействия АСУТП основной объем информации о текущем состоянии ТОУ передается электрическими сигналами, которые поступают в УВК от источников информации – первичных измерительных преобразователей и позиционных датчиков – сигнализаторов по кабельным линиям связи.
В АСУТП применяют в основном первичные измерительные преобразователи ГСП. В комплекс технических средств многих АСУТП входят технические средства автоматизации преимущественно из состава электрической ветви ГСП, служащие для реализации функций локальных систем автоматизации (регулирования, программно – логического и дистанционного управления).
Специфическим компонентом КТС является УВК, в состав которого входят собственно вычислительный комплекс (ВК), устройства связи ВК с объектом (УСО) и с оперативным персоналом. В первых АСУТП использовали специализированные УВМ; из них наиболее известными были машины УМ – 1. первые УВМ представляли собой изделия с фиксированными составом и техническими возможностями. В дальнейшем были созданы агрегатные комплекты управляющей вычислительной техники, из которых можно компоновать УВК различного состава и вычислительной мощности, в соответствии с особенностями конкретной АСУТП.
Первым и до сих пор наиболее распространенным типом технических структур АСУТП является централизованная. В системах с централизованной структурой вся информация, необходимая для управления АТК, поступает в единый центр – операторский пульт, где установлены практически все технический средства АСУТП, за исключением источников информации и исполнительных устройств, и где находится оперативный персонал. Такая техническая структура наиболее проста и имеет ряд очевидных эксплуатационных достоинств. Недостатками ее является необходимость избыточного числа элементов для обеспечения высокой надежности функционирования АСУТП и большие затраты дефицитного кабеля. Она целесообразна для сравнительно небольших по мощности и компактных АТК с умеренными требованиями к надежности.
В связи с внедрением микропроцессорной техники все большее распространение получает
распределенная техническая структура АСУТП, т.е. расчлененная на ряд автономных подсистем – локальных технологических станций, территориально распределенных по технологическим участка объекта управления. Каждая локальная подсистема представляет собой однотипно выполненную централизованную структуру, ядром которой является управляющая микро – ЭВМ. Локальные подсистемы через свои микро – ЭВМ объединены в единую систему сетью передачи данных с высокой пропускной способностью. К сети подключается необходимое для управления АТК число терминалов для оперативного персонала; программное обеспечение АСУТП связывает все элементы распределенной технической структуры в единое целое, обладающее рядом достоинств:
-возможностью получения высоких показателей надежности за счет расщепления АСУТП на семейство сравнительно небольших и менее сложных автономных подсистем и дополнительного коллективного резервирования каждой из этих подсистем через сеть; применение более надежных средств микроэлектронной вычислительной техники;
-большой гибкостью при композиции и модернизации технического и программного обеспечения, возможностью легкого наращивания вычислительных возможностей АСУТП;
-экономией дефицитного кабеля.
Ряд функций АСУТП, связанных в основном с локальным регулированием и управлением, реализуется аппаратурно. Большинство же функций реализуется программно, т.е. путем соответствующей обработки информации в УВК. Поэтому важнейшим компонентом АСУТП является ее программное обеспечение (ПО), т.е. совокупность программ, обеспечивающих реализацию функции АСУТП и заданное функционирование КТС.
Программное обеспечение делится на общее и специальное. Общее ПО поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники и обеспечивает организацию
функционирования КТС. Специальное ПО разрабатывается при создании АСУТП и включает программы, реализует ее информационные и управляющие функции.
Программное обеспечение создается на базе математического обеспечения (МО), под которым подразумевают совокупность математических методов, моделей и алгоритмов для решения задач и обработки информации с применением вычислительной техники. Для реализации информационных и управляющих функций АСУТП создают специальное МО, в состав которого, в частности, входят алгоритмы сбора, обработки и представления информации; алгоритмы управления с математическими моделями соответствующих объектов управления; алгоритмы локальной автоматизации.
Создание специальных МО и ПО требует больших затрат труда и средств; доля их в общей стоимости АСУТП непрерывно возрастает. Если доля первых АСУТП соотношение затрат на КТС и МО с ПО равнялась примерно 15:1, то в современных системах оно приближается к
1:2.
Все взаимодействие как внутри АСУТП, так и с внешней средой представляют собой различные формы информационного обмена (т. е. передачу и прием информации в виде различных сигналов, данных, сообщений, тестов и т. д.). Для того, чтобы рационально осуществлять такой обмен, необходимо детальная регламентация этого процесса, например, система классификации и кодирования технологической и техникоэкономической информации, принятых форм массивов данных и документов и т.д. Кроме этого, необходимы сами массивы данных и документов (в т.ч. нормативно – справочная информация), в совокупности обеспечивающие при эксплуатации АСУТП возможность выполнения всех ее функций.
Правила обмена информацией и сама информация, циркулирующая в АСУТП, образуют информационное обеспечение АСУТП, которое в переведенном на машинный язык виде составляет содержание базы данных системы.
Организационное обеспечение АСУТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур системы, инструкций и регламентов для оперативного персонала, обеспечивающую заданное функционирование АСУТП. Последнее характеризуется активным взаимодействием между людьми и программными и техническими средствами АСУТП. Поэтому организация оптимальных форм этого взаимодействия является одной из основных проблем разработки и эксплуатации АСУТП.
Оперативный персонал АСУТП состоит из технологов-операторов, осуществляющих управление ТОУ, и эксплуатационного персонала, обеспечивающего функционирование АСУТП (операторы ЭВМ, программисты, эксплуатационный персонал по обслуживанию других видов аппаратуры КТС). Состав оперативного персонала конкретной АСУТП и взаимодействия между отдельными работниками определяются организационной структурой системы.
26)
теплоноситель
2в
3.1. Ректификация
В качестве объекта управления при автоматизации процесса ректификации примем установку для разделения бинарной смеси, состоящей из тарельчатой ректификационной колонны 2, выносного кипятильника 4, дефлегматора 3 и теплообменника для подогрева исходной смеси 1. Показателем эффективности процесса ректификации является состав целевого продукта. В зависимости от технологических особенностей в качестве целевого продукта могут выступать как дистиллят, так и кубовый остаток. Поддержание постоянного состава целевого продукта (дистиллята или остатка) будет являться целью управления (рис.
6)
Состав другого продукта при этом может колебаться в определенных пределах вследствие изменения состава исходной смеси.
Ректификационная установка является сложным объектом управления со значительным временем запаздывания (например, в отдельных случаях выходные параметры процесса начнут изменяться после изменения параметров сырья лишь через 1-3 ч), с большим количеством параметров, характеризующих процесс, многочисленными взаимосвязями между ними, распределенностью их и т.д.
Трудность регулирования процесса объясняется еще частотой и амплитудой возмущений. В объекте имеют место такие возмущения, как изменения начальных параметров исходной смеси, а также тепло- и хладоносителей, изменение свойств теплопередающих поверхностей, отложение веществ на стенках и т.д. Кроме того, на технологический режим ректификационных колонн, устанавливаемых под открытым небом, влияют колебания температуры атмосферного воздуха.
Регулирование процесса при использовании дистиллята в качестве целевого продукта
Рассмотрим возможности регулирования режимных параметров верхней части ректификационной колонны, которые непосредственно определяют состав дистиллята.
Для получения определенной концентрации Сд дистиллята следует поддерживать на определенном значении давление Р и концентрацию жидкости в верхней части колонны.
Давление Р стабилизируется изменением расхода пара из колонны.
Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны, так как при уменьшении давления может произойти "захлебывание" колонны (восходящий поток пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам вниз), а при его (давления) увеличении снижается скорость парового потока, что связано с уменьшением производительности.
Концентрацию дистиллята Сд регулируют изменением расхода флегмы: чем выше этот расход, тем больше низкокипящего компонента будет в жидкости, и наоборот.
На практике чаще регулируют состав паров (а в отдельных случаях и непосредственно состав дистиллята) изменением расхода флегмы. Регулирующий орган может быть установлен как на линии флегмы, так и на линии дистиллята. В качестве анализаторов состава используют хроматографы и газоанализаторы.
Итак, для достижения цели управления необходимо стабилизировать давление и состав жидкости в верхней части колонны путем изменения расхода хладоносителя, поступающего в дефлегматор, и расхода флегмы. Качество регулирования этих параметров зависит от состава и скорости паров, движущихся из нижней исчерпывающей части колонны и определяемых ее технологическим режимом - главным образом давлением, температурой и составом жидкости в кубе колонны.
Необходимость стабилизации давления паров в кубе отпадает, так как ректификационная колонна обладает хорошо выраженными свойствами самовыравнивания по этому параметру и регулирование давления в верхней части колонны приведет к тому, что давление в кубе через несколько минут примет определенное (несколько большее, чем вверху колонны) значение.
Этого нельзя сказать о температуре (составе) жидкости в кубе. В связи с этим, для поддержания нормального режима в кубе возникает необходимость регулирования
температуры (или состава). Обычно стабилизируют температуру, т.к. датчик температуры значительно проще и надежнее, чем анализаторы состава.
Регулирующие воздействия в нижней части колонны могут осуществляться изменением расходов кубового остатка и теплоносителя, подаваемого в кипятильник.
Таким образом, если целевым продутом является дистиллят, то для достижения цели управления следует регулировать расход исходной смеси, температуру исходной смеси, давление в верхней части колонны, состав жидкости в верхней части колонны, температуру и уровень жидкости в кубе.
Контролю подлежат: расход исходной смеси, тепло- и хладоносителя; уровень в кубе колонны; температура по высоте колоны, давление в верхней и нижней частях колонны, а также перепад этих давлений.
Сигнализации подлежат значительные отклонения состава целевого продукта, уровня и давления в колонне от заданных значений. При давлении в колонне выше допустимого, а также при прекращении поступления исходной смеси должны сработать автоматические устройства защиты, отключающие ректификационную установку. При этом магистрали теплоносителей, остатка и дистиллята перекрываются, а магистрали хладоносителя и флегмы полностью открываются.
Регулирование процесса при использовании кубового остатка в качестве целевого продукта
Кубовый остаток используют в качестве целевого продукта не реже, чем дистиллят. В этих случаях более жесткие требования предъявляются к поддержанию технологического режима в нижней части колонны, поэтому в кубе колонны устанавливают датчик состава, а в верхней части - датчик температуры. Остальные узлы остаются неизмененными.
Регулирование процесса ректификации при использовании экстремальных регуляторов и ЭВМ
При управлении процессом ректификации могут ставиться задачи получения продуктов максимально возможной чистоты, достижения максимальной производительности колонны, получения минимальной себестоимости целевого продукта и т.п. В этих случаях возникает необходимость в применении экстремальных регуляторов или управляющих вычислительных машин.
Экстремальный регулятор, например, служит для изменения расхода флегмы с целью получения максимально возможной чистоты дистиллята. На работу такого регулятора накладываются ограничения по расходу флегмы.
Процесс ректификации является одним из самых сложных процессов химической технологии, поэтому применение простых регуляторов, как правило не исчерпывает всех возможностей увеличения производительности и уменьшения себестоимости продукции. Большой эффект может дать применение управляющих машин, на которые возлагаются следующие функции:
1.вычисление оптимальной нагрузки колонны и установления задания регулятору расхода смеси;
2.вычисление номера оптимальной тарелки питания и переключение устройств ввода на эту тарелку;
3.вычисление оптимальных соотношений расходов смеси и флегмы, смеси и теплоносителя и установление задания регуляторам расхода флегмы и теплоносителя;
4.переход от одного алгоритма управления к другому при изменении цели управления, при переходе с пускового режима на нормальный и с нормального режима на останов.
Если ректификации подвергается многокомпонентная смесь, управляющая машина рассчитывает номер тарелки для отбора промежуточного продукта и производит переключение устройств отбора на нужную тарелку.
Автоматизация тепловых процессов
Тепловые процессы играют значительную роль в химической технологии. Химические реакции веществ, а также их физические превращения, как правило, сопровождаются тепловыми явлениями. Тепловые эффекты часто составляют основу технологических процессов. В связи с этим, вопросы автоматизации теплообменников, трубчатых печей, выпарных аппаратов и других объектов химической технологии, связанных с передачей тепла, играют существенную роль.
Автоматизация трубчатых печей
Рис. VII-15. Схемы автоматизации трубчатых печей:
а — каскадная; б — каскадная с регулятором соотношения «топливный газ — продукт»; в
— с коррекцией по содержанию кислорода в топочных газах; г — с экстремальным регулятором, корректирующим соотношение «топливный газ — воздух».
Прокачиваемый через змеевик трубчатой печи продукт нагревается за счет тепла, образующегося при сжигании топливного газа.
Цель регулирования трубчатых печей — поддержание постоянства температуры продукта на выходе из печи. Возмущениями объекта являются расход и температура исходного продукта, теплотворная способность топлива, количество и температура воздуха, подаваемого для сжигания топлива, потери тепла в окружающую среду и ряд других. Эти возмущения можно скомпенсировать с помощью АСР температуры продукта на выходе из печи, управляющей подачей топлива в печь. Однако трубчатые печи обладают запаздыванием по передаче тепла от дымовых газов через стенку змеевика к проходящему по нему продукту, кроме того, переходный процесс по каналу «расход топлива — температура продукта на выходе» продолжается несколько часов. Поэтому при использовании одноконтурной АСР динамическая ошибка и время регулирования достигают больших значений.
Вместе с тем температура газов над перевальной стенкой достаточно быстро реагирует на изменение режима работы печи, обусловленное изменением количества топливного газа, подаваемого на сжигание. Поэтому существенное улучшение качества регулирования температуры продукта на выходе из печи может быть достигнуто применением системы
каскадного регулирования (рис. VII-15,а), состоящей из регулятора температуры продукта на выходе из печи (корректирующий регулятор), воздействующего на задание регулятора температуры газов над перевальной стенкой (стабилизирующий регулятор), который управляет подачей топлива в печь. Стабилизирующий регулятор начинает компенсировать возникающие возмущения, влияющие на процесс сгорания топлива, прежде чем они приведут к изменению температуры продукта.
При резком изменении нагрузки печи по расходу нагреваемого продукта и при наличии возмущения по расходу топлива используют также вышеописанную систему каскадного регулирования, стабилизирующий регулятор которой воздействует на регулятор соотношения расходов продукта и топлива. В этом случае регулятор соотношения управляет подачей топлива в печь (рис. VII-15,б).
При принудительной подаче первичного воздуха (рис, VII-15, в) оптимальный его расход, при котором температура в топке принимает максимальное значение, поддерживают посредством регулятора соотношения «топливный газ — воздух», обеспечивающего заданное значение коэффициента избытка воздуха, определяющего интенсивность процесса сгорания. Если при этом теплотворная способность топлива существенно изменяется, то на регулятор соотношения направляют корректирующий сигнал от регулятора стабилизации содержания кислорода в топочных газах. Это обеспечивает полное сгорание топлива и высокое качество регулирования.
Сильным возмущением режима работы трубчатых печей со стороны топливного газа является изменение его давления. Это изменение компенсируют введением в АСР температуры продукта на выходе из печи дополнительного регулятора давления, задание на который подают от регулятора температуры в топочном пространстве. Такие системы обеспечивают качественное регулирование расхода топливного газа, так как расход газа в большой степени зависит от его давления (см. рис. VII-15,в).
Так как зависимость температуры в топке от соотношения «топливо — воздух» имеет экстремальный характер, при автоматизации трубчатых печей применяют системы экстремального регулирования. На рис. VII-15, г экстремальный регулятор отыскивает максимальное значение температуры дымовых газов над перевальной стенкой, воздействуя на регулятор соотношения «топливный газ — воздух», управляющий подачей первичного воздуха.
При регулировании соотношения «топливный газ — воздух» необходимо обеспечить меры безопасности, так как при недостатке воздуха в топке может образоваться взрывоопасная смесь. Следует предусмотреть ограничение расхода топлива так, чтобы этот расход никогда не превышал максимально допустимого значения, соответствующего текущему значению расхода воздуха. При уменьшении расхода воздуха относительно определенного значения нужно обязательно автоматически уменьшать подачу топлива в топку.
Автоматизация процесса выпаривания
Основные схемы автоматизации рассмотрим на примере двухкорпусной выпарной установки. Цель управления выпарной установки состоит в получении раствора заданной концентрации QУ, а также в поддержании материального и теплового балансов. Концентрация упаренного раствора зависит от расхода, концентрации и температуры исходного раствора, расхода и давления греющего пара, давления в выпарных аппаратах. В соответствии с целью управления схемой автоматизации предусматривают регулирование концентрации упаренного раствора (рис. VII-16). Концентрацию QУ можно измерить кондуктометрическим методом, по плотности раствора, по показателю преломления света или по величине температурной депрессии раствора, т. е. по разности температур кипения ΔT раствора и растворителя. Последний метод вследствие простоты и наличия однозначной зависимости между величинами QУ и Т при постоянном давлении применяют довольно часто. При этом первичный измерительный преобразователь температуры кипения раствора устанавливают на трубопроводе кипящего раствора после кипятильника, и измерительный преобразователь температуры кипения растворителя — на трубопроводе отвода паров растворителя.
Рис. VII-16 Схема стабилизации технологических величин выпарной установки: 1 — выпарной аппарат, 2 — кипятильник, 3 — теплообменник, 4 — барометрический конденсатор.
Рис. VII-17 Схема многоконтурного регулирования выпарной установки.