Системы управления химико-технологическими процессами

Введение

В химической промышленности комплексной механизации и автоматизации большое внимание уделяется внедрению различных систем управления. Это связано со сложностью и высокой скоростью химических и технологических процессов, их разнообразием, их высокой чувствительностью к нарушениям режима, вредными условиями труда, взрыво- и пожароопасностью обрабатываемых веществ и др.
Поскольку механизация производства осуществляется, тяжелый физический труд сокращается, но человек продолжает принимать непосредственное участие в технологическом процессе, и на него возложена функция управления механизмами и машинами.
С увеличением нагрузок на машины, мощности машин, сложности и масштаба производства, увеличением давления, температуры и скорости химической реакции ручной труд практически немыслим: например, при производстве полиэтилена давление достигает 300 МПа, при производстве карбида кальция - 3000oC, процесс горения сернистых взвесей в кипящем слое продолжается в течение нескольких секунд. В таких условиях даже опытный работник зачастую не в состоянии своевременно повлиять на процесс в случае отклонения от нормы, что может привести к несчастным случаям, пожарам, взрывам.
Ограниченные возможности организма человека (усталость, недостаточная скорость реакции на изменения окружающей среды и большой объем поступающей информации, субъективность в оценке ситуации) являются препятствием для дальнейшей интенсификации производства.
Наступает новый этап станочного производства - автоматизация производства. Этот этап характеризуется освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций автоматическим устройствам.
Автоматизация приводит к улучшению основных показателей эффективности производства: увеличение количества, улучшение качества, снижение себестоимости продукции, повышение производительности труда.
Некоторые современные технологические процессы могут осуществляться только при полной автоматизации (например, процессы, осуществляемые на атомных станциях, процессы дегидрирования и т.д.). При ручном управлении такими процессами малейшее человеческое замешательство и несвоевременное влияние на
процесс может иметь серьезные последствия.
Автоматизация способствует бесперебойной работе оборудования, исключает аварии, предотвращает загрязнение окружающей среды промышленными отходами.
При выборе объекта автоматизации решающее значение имеют экономические факторы. И только в тех случаях, когда автоматизация вводится для обеспечения безопасности обслуживающего персонала, не принимается во внимание экономическая эффективность автоматизации.
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ
Для обеспечения эффективности работы промышленного производственного предприятия широко используется иерархический принцип управления этим предприятием.
Она заключается в реализации многоступенчатой организации процесса управления.
Каждый уровень управления имеет свои собственные цели и задачи управления.
Обычно целью управления является обеспечение заданных при создании и развитии предприятия технико-экономических показателей. Технологический режим, при котором достигаются заданные параметры, называется оптимальным. Технологический режим изменяется под влиянием реальных промышленных возмущений и поэтому может существенно отличаться от оптимального.
Чаще всего управление технологическим процессом организуется в форме двух этапов. На верхней ступени целью управления является поиск оптимального режима работы. Объектом контроля при этом является все производственное оборудование и весь технологический процесс, проходящий в нем вместе с оборудованием.
Тогда целью управления на нижней ступени является обеспечение минимального отклонения технологических параметров от их оптимальных значений. Эта цель относительно проста в достижении и заключается в стабилизации технологических параметров.
В управлении предприятием в целом есть цели и задачи, которые нельзя отнести к отдельным процессам. Это задачи оперативного управления цехами, организации производства, планирования запасов, сырья, готовой продукции и т.д. Поэтому процесс управления предприятием должен включать еще один уровень, на котором эти задачи решаются (высший уровень иерархии).
Когда производственная структура предприятия включает в себя некоторые производства, применяется трехуровневая иерархия управления, представленная на рисунке 1.


Рисунок 1 - Трехуровневая иерархии управления


Автоматизированная система управления предприятием (АСУП)

АСУТП - это автоматизированная система, объединяющая административно-управленческий персонал предприятия, вычислительное и организационное оборудование.
Объектом управления здесь является все предприятие:
> Технологические производства совместно с оборудованием и системами автоматического управления предыдущих уровней;
> Вспомогательные услуги (поставка, продажа, ремонт, проектирование и т.д.), обеспечивающие основное производство;
> Транспортный сектор;
> Магазины контрольно-измерительной техники, электроснабжения, отопления;
> Центральные заводские лаборатории.
Все вместе, это единая производственная система с входами и выходами в качестве объекта управления. Вкладываемые ресурсы - сырье, материалы, энергоресурсы. Выходы - это конечный продукт.
Особенности предприятия как объекта управления:
> Количество задач управления может достигать нескольких сотен;
> Предприятие постоянно подвергается воздействию внутренних и внешних помех (внутренние помехи - поломка оборудования или изменение его характеристик, несвоевременная поставка полуфабрикатов, производственный травматизм; внешние помехи - нарушение связи с поставщиками сырья, несвоевременное обеспечение транспортировки, нестабильность характеристик сырья в пределах одной партии,

стихийные бедствия).
Целью деятельности компании является максимальный выпуск товарной продукции требуемого качества с минимальными затратами на ее производство. С этой целью осуществляется сбор, передача и обработка производственной, экономической и социальной информации с целью подготовки и принятия управленческих решений.
Задачи, которые предстоит решить на этом уровне - это планирование производства отдельных цехов и площадок, управление транспортом, складами, энергоресурсами, а также показатели оперативного управления системами среднего звена. В управлении участвует административно-управленческий персонал, поэтому данная система относится к автоматизированным системам. Административно-управленческий персонал включает: руководителя предприятия, инженеров, сотрудников, руководителей предприятий и цехов.
Автоматизированная система управления производством (АСУПр)

Средний уровень APCS. Объектом управления на этом уровне является совокупность технологических процессов вместе с технологическим оборудованием и системами управления технологическими процессами.
Целью управления на этом уровне иерархии является координация работы отдельных подразделений друг с другом, с учетом внешних (переход от бренда к бренду, изменение стоимости входных и выходных потоков, электроснабжения, оборотного водоснабжения, пневмотранспорта и т.д.) и внутренних (выход из строя оборудования, отказ автоматизации, изменение потребления готовой продукции) для производства возмущений.
Задачи, которые должны быть решены на этом уровне:
> Контроль и управление статическими режимами технологических процессов и производства (сбор и обработка информации о технологическом процессе, определение оптимальных режимов);
> Оперативный контроль (расчет оптимального распределения материальных потоков между цехами и агрегатами, ликвидация аварийных ситуаций, передача команд на нижний уровень);
> Технико-экономическое планирование производства (определение плановых показателей на длительный период времени).
Эти функции управления относительно сложны и не могут быть полностью возложены на автоматические устройства. Таким образом, на этом уровне оператор участвует в управлении, и система снова подвергается проверке.

Определение автоматизированных систем.
Учитывается влияние полимерных конечных групп, которым можно пренебречь при достаточно больших молекулярных массах.
Локальные автоматические системы (ЛСУ) для автоматизации технологических процессов

На промышленных объектах создаются локальные автоматические системы сбора, преобразования и хранения информации, определения выхода технологических параметров из регулируемых диапазонов (информационных функций). Но основной целью локальных систем является реализация автоматических управляющих воздействий, осуществление автоматической блокировки, защита и обеспечение выполнения (при необходимости) ручных действий. Безусловно, это основная операционная функция систем нижнего уровня автоматизации. Они характеризуются показателем эффективности процессов. Цель технологического контроля сформулирована как индикатор эффективности на заданном (предпочтительно оптимальном) уровне.
НСУ состоят из нескольких подсистем.
Подсистема управления параметрами обеспечивает контроль и обнаружение отклонений технологических параметров. Контролируемые параметры должны предоставлять наиболее полную информацию о процессе, необходимую для обеспечения запуска, настройки системы, а также оперативного управления ею.
Они находятся под контролем:
- Регулируемые выходные параметры;
- Стабилизированные помехи входного потока;
- контролируемые беспорядки;
- Параметры, необходимые для расчета технико-экономических показателей.
Подсистема регулирования параметров осуществляет формирование и реализацию эксплуатационных воздействий. Эти воздействия на отдел технического обслуживания должны гарантировать, что процесс выполняется в устойчивом состоянии с заданным значением показателя эффективности. Они подлежат регулированию:
- Индекс эффективности процесса или косвенно характеризующий его параметр;
- Выходные параметры, указывающие на нарушение материального и теплового баланса в процессе;
- Стабилизированные тревожные эффекты.
Подсистема сигнализации (особенно для химических и технологических объектов) разработана на основе анализа объекта с точки зрения его взрыво- и пожарной опасности, токсичности и агрессивности обрабатываемых веществ. Сигнализация должна своевременно уведомлять обслуживающий персонал о нарушениях технологических регламентов, которые могут привести к браку или несчастному случаю.
Должны быть установлены системы сигнализации:
отклонения важнейших производственных параметров и показателей эффективности от нормативных значений;
Параметры, изменение которых приводит к дефекту или аварии, прерыванию потока материала и тепла;
Параметры, указывающие на отключение оборудования, не предусмотренные технологическим регламентом.
Подсистема защиты предназначена для формирования и реализации воздействий защиты и блокировки

. Предназначен для осуществления мероприятий, предотвращающих сбои по сигналам, свидетельствующим о возникновении доаварийной ситуации, и работает самостоятельно.
Автоматизация управления технологическими процессами

Активное развитие работ по автоматизации технологических процессов в нашей стране началось в 50-х и 60-х годах. В 60-х годах основное внимание уделялось созданию локальных систем, обеспечивающих автоматизацию простейших функций управления технологическими процессами: централизованного управления, противоаварийной защиты, регулирования основных технологических параметров.
Развитие химической технологии, интенсификация технологических процессов, их проведение в близких к критическим режимах, применение высокоагрегатных энергоблоков потребовало создания гораздо более современных систем управления, чем локальные системы автоматизации. Эти принципиально новые системы называются автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП).
Создание автоматизированной системы управления технологическими процессами стало возможным благодаря использованию компьютера (второе поколение) для управления технологическими процессами в "реальном времени", т.е. в едином темпе с развитием управляемого процесса. (Первые системы появились в 60-х годах: каскадные системы, AUTODISPETCHER для контроля производства аммиака).В настоящее время широко используется автоматизированная система управления технологическими процессами.
Автоматическая система управления технологическим процессом отличается от локальной системы управления следующим образом:
1. улучшение организации информационных потоков,
2. почти полная автоматизация получения, обработки и представления информации,
3. возможность активного диалога между оперативным персоналом и компьютером в процессе управления,
4. повышение степени автоматизации функций управления, включая запуск и остановку производства.
Системы автоматического управления производством, такие как цеха и автоматические установки (которые являются самыми высокими уровнями автоматизации), отличаются от систем автоматического управления производством значительной степенью участия человека в процессе управления. С развитием автоматизированных систем управления технологическими процессами и техническим совершенствованием технологических объектов эти различия уменьшаются.
На современных производственных мощностях задача управления технологическими процессами решается автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУТП). Автоматизированная система управления технологическим процессом представляет собой комплекс, сочетающий в себе технологический процесс, технические средства сбора, обработки, преобразования информации, программное обеспечение, алгоритмома и математическую поддержку и оперативный персонал.
Функциональная структура АСУТП представляет собой многоуровневую иерархическую структуру (рис. 2).2570988234889
Рисунок 2 - Функциональная структура АСУТП
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.
2615662520071Структурная схема взаимодействия оператора и системы управления представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структурная схема взаимодействия оператора и системы управления
Здесь:
АСР–автоматическаясистемарегулирования,СОИ –системаотображения информации, ДУ – органы дистанционного управления.
В системе несколько контуров управления:
контур – автоматизированный;
контур – автоматический;
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.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
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 (рис. 4).
На основе полученной информации принимаются решения по управлению и вырабатываются управляющие воздействия.
2263067178017
Рисунок 4 – Система управления


Технологические объекты управления

Контролируемый процесс вместе с оборудованием, в котором он выполняется, называется объектом управления процессом (POC).
Отдел технического обслуживания включает в себя как отдельные технологические узлы и установки, реализующие локальный технологический процесс, так и все производство (цеха, площадки) промышленного предприятия. Существуют сверхсовокупные мощности (например, установка ЛК-6У на нефтеперерабатывающем заводе), включая сотни технологических аппаратов.
УП должен отвечать следующим требованиям:
1. Оборудование для технического обслуживания должно быть полностью механизировано и безотказно работать в течение установленного периода капитального ремонта,
2. Желательно, чтобы этот процесс был непрерывным,
3. График технического обслуживания должен быть составлен таким образом, чтобы он был управляемым, а именно
a. разделены на определенные зоны с возможностью влияния на технологический режим в каждой из них путем изменения материальных или энергетических потоков,
b. иметь возможность влиять на работу оборудования,
c. обеспечить, чтобы это лицо имело доступ к местам установки датчиков и регуляторов,
г. минимизировать количество воздействий на аппараты главного контура, вызывающих возмущение, если технологический режим определяет количество и качество выпускаемой продукции. Последнее достигается установкой промежуточных аппаратов - ресиверов, резервуаров с мешалками, теплообменников, снижающих амплитуду и частоту изменения таких параметров, как давление, состав, температура.
Сложность контроля технического обслуживания заключается в том, что они постоянно подвергаются негативным воздействиям, нарушающим технологический режим.
Возмущения можно разделить на два типа:
а. Внешний - проникновение в отдел технического обслуживания снаружи при изменении всех входных и некоторых выходных параметров, а также параметров окружающей среды. Таким образом, изменение давления нагревательного пара нарушает теплообмен в нагревателе и, следовательно, температуру продукта на выходе из него; изменение расхода остатка куба влияет на уровень в ректификационной колонне.
б. Внутренние - возникающие в самом ремонтном цехе при изменении характеристик технологического оборудования (изменение активности катализатора, отключение отдельных устройств, коррозия внутренних поверхностей устройств).
Технологический процесс как объект управления характеризуется входными и выходными переменными (рис. 5).

Рисунок 5 - Группы переменных, входящих в описание объекта управления

U– вектор входных переменных, характеризует состояние процесса и называют управляемыми (регулируемыми) параметрами. Это такие параметры, как температура, давление, состав, концентрация, расход и т.п.
X– 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.
F– 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
X=G(U,F,t)


Управление химико-технологическим процессом

Давая определение автоматизированному производству, мы говорим, что оно характеризуется передачей функций управления от человека автоматическим устройствам. Что же это за функции? Из чего складывается процесс управления?
Процесс управления складывается из следующих операций, которые можно объединить в три группы:

1.получение и обработка информации о состоянии управляемого технологического процесса,
2.анализ полученной информации и принятие решения о целесообразном воздействии на процесс,
3.осуществление принятого решения, т.е