Введение

Прогресс, достигнутый в области, микроэлектроники и вычислительной техники, позволяет проводить комплексную автоматизацию всех отраслей промышленности, в том числе пересмотреть существующие системы управления в отраслях подготовки перерабо­тки нефти-газа и нефтехимии [1,2].

Переводу на автоматические управление подлежат крупнотоннажные установки подготовки и первичной переработки углеводородного сырья, в частности, каталитического риформинга, получения этилена, депарафинизации, получения дизтоплива, ряда ком­плексов нефтехимических производств [3]. Управление подобными производствами, как системой большого масштаба, можно условно разбить на ряд взаимосвязанных подсистем, между которыми существует соподчиненность в виде иерархической структуры, со ступеня­ми. Первую, самую низшую ступень, образуют локальные регуляторы или локальное регулирование технологических параметров процесса. Основная задача разработки на этом уровне - определение закона регулирования и динамического качества работы системы в смысле устойчивости, времени регулирования и т.п. [4,5,6]. Основу вто­рой ступени составляет регулирование отдельными аппаратами, как системой взаимосвязанных элементарных процессов, проходящих в них [7,8]. Третьей, в нашем случае, высшей ступенью рассмотре­ния является управление ТП как системой аппаратов, связанных ин­формационными материальными и энергетическими потоками [5,9].

Современное развитие микропроцессорной техники и ЭВМ на их основе позволяет использовать инженеру химику-технологу в полной мере свои знания основ химической технологии, процессов и аппара­тов химической технологий, моделирования химико-технологических процессов, основ автоматики и автоматизации производственных про­цессов, вычислительной техники и программирования и ряда других дисциплин для грамотной постановки задачи по автоматизации проектируемого или эксплуатируемого ТП. Постановка задачи заканчивается разработкой функциональной схемы автоматизации и опреде­ляет не только общий уровень, который реализуют специалисты на данном этапе, но перспективу развития на много лет вперед.

- 5 -

1. Структура и прципы управления технологическими процессами

Прогресс техники и технологии всецело связан с механизацией и автоматизацией производственных технологических процес­сов. При ручном управлении (рис.1.1) оператор пользовался сво­ими органами для измерения переменных величин процесса и через регулирующие органы вмешивался в управление.

Рис.1.1.

Структура ручного управления. ТП - технологический про­цесс; 0 - оператор.

Контрольно-измерительные приборы (рис.1.2) явились первым звеном в цепи управления, отделяющим оператора от процесса.

Рис.1.2.

Включение в цепь ручного управления контрольно-измери­тельных приборов

Если функции измерения параметра, сравнения его значения с желаемой величиной и управления возложить на автомат (авто­регулятор), то оператора можно исключить из цепи непосредствен­ного управления технологическим процессом (рис.1.3), оставив за ним функцию задания наиболее желательной величины регулируе­мого параметра. Упомянутую функция можно оформить в виде прог­раммы на любом из носителей (перфокартах, перфолентах, магнито­фонной записи и т.п.) и оператору останется только обслуживать установку, (рис.1.4)

- 6 -

Рис.1.3.

Автоматическое управ­ление с применением авторегуляторов (АР)

Рис.1.4.

Автомат с замкнутым контуром управления: П - программа

В рассмотренных принципах существует обратная связь. Управляю­щее воздействие совершается на основе сравнения измеренных зна­чений параметров процесса с заданными. Такая система управления называется замкнутой. В ряде случаев измерения значений парамет­ров при управлении не требуется. Такая система (рис.1.5) назы­вается разомкнутой. В ней поток информации имеет одно направле­ние. Кроме автоматов с одним контуром в настоящее время приме­няются двух- и более контурные системы управления. Существуют автоматы с обобщением опыта своей работы. Такие автоматы выра­батывают наилучшую программу, которая могла бы в процессе ра­боты изменяться в соответствии с возникающими условиями. Многообразный мир автоматов непрерывно усложняется и расширяет­ся.

- 7 -

Рис.1.5.

Автомат с разомкнутым контуром управления: А - автомат; П - программа.

Однако автоматизация ТП, осуществляемая с помощью автоматов, имеет ряд недостатков: [10, 11] I. Невозможность комплексной автоматизации, отсутствие возможности управлять ТО в целом;

2. Недостаточная согласованность результатов управления и их зависимость от деятельности операторов; 3. Неудобство и высокая стоимость регистрации и обработки данных; 4. Трудоемкости, свя­занные с оптимизацией ТП; 5. Большой риск аварий и опасных ре­жимов, связанных с длительностью, реакций операторов. Большинст­во из указанных недостатков можно устранить применением универ­сальных программируемых автоматов - ЭВМ. Первая промышленная автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) появилась в США [11] на установке каталитической полимеризации на нефтеперерабатывающем заводе. Свойства, присущие управлению с применением ЭВМ, - быстрота вычислений, способность к накоплению данных и принятию решений, придает процессу управления такие качества, которые невозможно получить, используя традиционное управление.

В процессе управления ЭВМ может работать в различных режимах. И с легкостью, не свойственной человеку, переходить с одного ре­жима на другой. В режиме обработки данных (рис.1.6) ЭВМ выдает оператору сведения о переменных параметрах процесса и заполняет рабочий формуляр смены текущими данными. В режимах простого (рис.1.7)-или программного (рис.1.8) регулирования одна ЭВМ мо­жет запенить несколько сотен автоматических регуляторов. При наличии достаточно точной математической модели процесса на ЭВМ могут быть возложены фикции оптимального управления (рис. 1.9)

- 8 -

Рис.1.6.

Структурная схема работы ЭВМ в режиме обработки дан­ных: ССД - система сбора данных; СО - средства отображе­ния; 1-5 функции ЭВМ (I - рабочий формуляр; 2 - ре­комендации по ра­боте; 3 - сигнали­зация тревоги; 4 -документальный фор­муляр; 5 - данные для других ЭВМ)

Рис.1.7.

Структура управления технологическим процессом.

Рис.1.8.

ЭВМ в роли програм­матора (П) при уп­равлении процессом.

- 9 -

Рис.1.9.

Структура детерминированного управления про­цессом с помощью ЭВМ: П - програм­мы и исходные данные.

Решая уравнения оптимального управления, она выдает значения переменных процесса, оптимизирующих целевую функцию. Значительным достижением применения ЭВМ при управлении ТП является режим - самообучением (рис.1.10)

Рис.1.10. Структура системы оптимального управления с само­обучением; РР - режимы работы и рабочие пара­метры.

При этом наличие модели процесса необязательно, Непосредствен­но экспериментируя на оборудовании, целевая функция находится методом пробных воздействий. В случае ввода приближенной моде­ли (рис.1. 11) на основе эксперимента на оборудовании по обрат­ной связи производится изменение коэффициентов в модели ТП с целью приспособления его к характеру возмущений. Подлинная рево­люция, обеспечившая широкое внедрение ЭВМ в управление ТО, прои­зошла в конце 70-х, начале 80-х годов с появлением высоконадеж­ных, дешевых и малогабаритных микропроцессоров.

- 10 -

Рис.1.11. ЭВМ в режиме само организованного управления: ИД – исходные данные; ВБ – вычислительный блок; БС – блок самоорганизации; РР – режим работы.

Микро-ЭВМ, построенные на их основе, уменьшили свою стоимость по сравнению с ранее созданными ЭВМ в 10³…10⁴ раз, габариты уменьшились в (2…4)10⁴ раз, потребляемая мощность уменьшилась в 10 раз [12,13]. Был устранен существенный разрыв между серьез­ными теоретическими достижениями в области проектирования АСУ ТП и их практическим исполнением [13].

Основываясь на изложенных выше положениях, структуру управ­ления в общем, виде можно представить в виде функциональных бло­ков (рис.1.12), связанных информационными потоками. Цель управ­ления вводится в блок I, называемый программатором, который вы­рабатывает траекторию движения системы x(t) в пространстве параметров состояния. Программа, план вводятся в блок 2 - устройство сравнения. Данное устройство получает от объекта управ­ления 3 с помощью датчиков 4 действительные значения состояния x(t). Блок 2 формирует значение (t) - рассогласование пла­на с действительным состоянием, которое подается в блок 5 - устройство формирования управляющих воздействий u(t). Управляющие воздействия и(t) через исполнительные механизмы (блок -6.) воздействуют на регулирующие органы объекта и переводят его в новое состояние, близкое к желаемому.

- 11 -

В случае, когда определены планы и программа заранее, нужда в программаторе отпадает. Таким образом, функциональная схема си­стемы регулирования отличается от схемы, изображенной на рис. 1.2., только отсутствием программатора. Блок формирования управляющих воздействий в этом случае называют регулятором.

Рис.1.12 Функциональная схема структуры управления.