На правах рукописи

АБРАМОВ Кирилл Владимирович

РАЗРАБОТКА ИНВАРИАНТНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

РЕКТИФИКАЦИОННЫМИ УСТАНОВКАМИ

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена на кафедре «Техническая кибернетика и автоматика»

Московского государственного университета инженерной экологии

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Софиева Юлия Николаевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гартман Томаш Николаевич зав. кафедрой информатики и компьютерного проектирования РХТУ им. Д. И. Менделеева доктор технических наук, профессор Цыганков Михаил Петрович профессор кафедры кибернетики ЯГТУ

Ведущая организация: ЗАО «ПРИЗ», г. Москва

Защита состоится «26» апреля 2012 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.

Автореферат разослан «23» марта 2012 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета Д 212.145. Доктор технических наук, доцент Мокрова Н.В.

2   

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание оптимальных систем управления ректификационными установками требует детального изучения физических свойств разделяемых смесей, анализа чувствительности измеряемых показателей состава продукта к режимным параметрам процесса, учёта реальных условий работы аппаратов.

Системы оптимального управления ректификационными установками требуют наличия непрерывных анализаторов состава в контуре управления и использования автономных систем регулирования составов верхнего и нижнего продуктов. Отсутствие непрерывных анализаторов состава для некоторых смесей и сложность настройки автономной системы регулирования для промышленных объектов приводит к тому, что решение такой задачи практически невозможно.

В последние годы появилась возможность для анализа технологического объекта на стадии проектирования использовать специализированные программные комплексы. Объединив в своей структуре полные модели технологических объектов, вычислительный комплекс позволяет проводить эксперимент на модели реального технологического аппарата и даёт возможность исследовать влияние различных возмущений на работу всей системы в целом. Особый интерес представляет моделирование и исследование различных режимов в ректификационных установках, которые являются одними из наиболее сложных технологических объектов управления из-за их многосвязности и большой инерционности.

Целью диссертационной работы является повышение точности управления процессом ректификации за счёт применения разомкнутой инвариантной системы регулирования в автоматизированной системе управления (АСУ) ректификационными установками. В соответствии с данной целью были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка разомкнутой системы управления процессом массообмена в колонне, обеспечивающей инвариантность состава продуктов к колебаниям расхода и состава питания в широком диапазоне.

режимных параметров ректификационных колонн на основе анализа рабочей области промышленных установок.

3. Вывод динамической модели колонны для расчёта инвариантных систем регулирования.

управления ректификационными установками.

моделированию систем автоматического регулирования ректификационных колонн.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы математического анализа, статистической динамики, теории управления и имитационного моделирования.

Достоверность результатов работы подтверждает сопоставление расчётных и экспериментальных данных по режимным параметрам промышленной колонны для разделения смеси «этан-этилен». Режимные параметры имитационной модели сравнивались с проектными данными промышленной колонны; рабочая область по расходу и составу питания характеристиками, полученным по взаимнокорреляционным функциям реальной колонны; установлено их качественное и количественное совпадение с характеристиками промышленной колонны.

На защиту выносится:

инвариантной системы управления.

ректификационными установками в зависимости от возмущений по расходу питания и температуре на контрольной тарелке.

3. Алгоритм выбора структуры системы управления ректификационными колоннами на основе анализа физических свойств разделяемых смесей и внешних возмущений.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана секционная модель динамики ректификационной колонны для расчёта инвариантной системы регулирования.

2. Предложен новый способ диагностики технологического режима в ректификационной установке по технологическим показателям процесса (расход питания, температура на контрольной тарелке), позволяющий провести коррекцию настройки системы управления колонной.

3. Предложен новый подход к разработке систем автоматизации ректификационных колонн с учётом чувствительности режимных параметров процесса к составу продуктов.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Предложена методика имитационного моделирования с использованием блочных моделей технологических аппаратов для разработки АСУ ректификационными колоннами при колебаниях по расходу и составу питания в широком диапазоне. Разработан учебно-тренировочный комплекс технологических процессов и производств» (АТПП). Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при проведении практических занятий и выполнении курсовых и дипломных проектов в МГУИЭ.

Алгоритм программно-логического управления колоннами при изменении параметров питания в широком диапазоне рассмотрен ЗАО «Нефтехимпроект» с целью применения для разработки проектной и рабочей документации.

Алгоритм диагностики нарушений в технологическом процессе по СПЕЦАВТОМАТИКА».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на II Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2011 г.), Втором инвестиционном фестивале «Экология для человека-семьи-общества:

социально значимые молодёжные проекты» (Москва, 2011 г.), научная конференция студентов и молодых учёных МГУИЭ (Москва, 2010, 2011 г.) опубликовано 7 печатных работы, из них 4 – в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа включает введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения.

Объём работы составляет 142 страницы машинописного текста, в том числе 85 рисунков, 26 таблиц. Список литературы включает 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена краткая характеристика процесса ректификации и его анализ как объекта управления, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована научная новизна и практическая ценность работы, приведена постановка задачи.

В первой главе проанализированы основные работы, посвящённые современному состоянию и проблемам автоматизации управления ректификационными установками.

комплексную модернизацию АСУ ректификационными установками с целью минимизации энергозатрат на разделение смеси при изменении нагрузок в широком диапазоне и способы одновременного регулирования составов верхнего и нижнего продуктов.

Одним из способов оптимизации работы ректификационных колонн использованием обратной связи по составу продуктов или температуре на контрольных тарелках. Практическая реализация подобных систем существенно ограничивается сложностью их расчёта и наладки для обеспечения устойчивой работы установки.

В настоящей работе предложена разомкнутая система управления верхом и низом колонны, обеспечивающая инвариантность составов продуктов к колебаниям расхода и состава питания в широком диапазоне.

Рис. 1. Структурная схема разомкнутой системы регулирования компенсаторы верха и низа колонны; W – передаточная функция; – тарелка – число тарелок; гр – греющий пар; фл – флегма; д – дистиллят;

питания;

Исследование проведено на примерах продуктовой колонны для разделения бинарной смеси «этан-этилен» с получением дистиллята высокой концентрации (98,5 %) и колонны для разделения смеси «метанол-вода».

Таким образом, в первой главе приводится постановка задачи ректификационными колоннами при колебаниях расхода и состава питания в широком диапазоне; разработки динамической модели тарельчатой секции колонны, удобной для расчёта динамических компенсаторов и вывода формулы для определения параметров модели по конструктивным и режимным параметрам технологического процесса.

Во второй главе приведена разработка алгоритма логического управления ректификационной установкой на основе моделирования статических режимов колонн для разделения смеси «метанол-вода» при возмущениях в пределах ± 10 % от проектных значений и для смеси «этанэтилен» в переделах ± 20 % от проектных значений. Рассмотрены три варианта основной задачи управления: стабилизация состава дистиллята, стабилизация производительности по дистилляту, стабилизация тепловой нагрузки на кипятильник (Табл. 1).

Таблица 1. Параметры ректификационной колонны при постоянных расходу составу Рис. 2. Зависимость управляющих воздействий от возмущений Процесс моделирования проведён при условии постоянства составов дистиллята и кубового продукта. График зависимости определяет закон управления этими параметрами: постоянство тепловой нагрузки (Рис. 2а) требует стабилизации расхода флегмы при отсутствии возмущений по составу питания. При этом состав дистиллята остаётся постоянным за счёт уменьшения отбора дистиллята и увеличения отбора кубового продукта. Во всех остальных случаях наклонные линии показывают изменение параметров в пропорциональной зависимости от возмущения.

Анализ рабочей области «этан-этиленовой» колонны проведён при В таблице 2 приведены результаты моделирования рабочей области.

Нормальное Из таблицы видно, что при стабилизации состава дистиллята и увеличении расхода и концентрации этилена на 10 % в питании, режимные Из анализа всех рассмотренных вариантов возмущений сделан вывод:

регуляторы соотношений расходов флегмы и питания и соотношения расходов греющего пара и питания, при условии, что коэффициенты составу питания или температуре на контрольной тарелке, как косвенному показателю состава (Табл. 3).

Рис. 3. Зависимость коэффициентов соотношений расходов от Во второй главе сделаны следующие выводы: стабилизация режимных параметров на проектных значениях неэффективна при любом характере возмущений и ведёт к отклонениям в качестве продукта, либо в увеличении энергозатрат на разделение; стабилизация тепловой нагрузки на проектном значении приводит к нарушению регламента по составу продукта, к перерасходу энергии и нарушению давления в колонне; для продуктовых колонн, в которых к чистоте продуктов предъявляются высокие требования, расходу и составу питания не более 2 %; расходы кубового продукта и регуляторами уровня кубового продукта и давления в колонне.

управления, представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Схема алгоритма анализа возмущений и выбор структуры управления Условные обозначения: – увеличение величины; – уменьшение величины;

const – величина не изменяется.

В третьей главе приведён вывод секционной динамической модели ректификационной установки. Общая структура колонны предлагается в виде следующих модулей: куб и кипятильник колонны W0, нижняя тарельчатая часть колонны Wн, верхняя тарельчатая часть колонны Wв и дефлегматор со сборником флегмы Wn+1, тарелка питания Wf (Рис. 5а).

Динамическая модель колонны выведена при допущении, что самой медленной составляющей массообмена является изменение состава жидкой фазы на тарелке, в которой принят режим идеального смешения. При таких допущениях, моделью отдельной тарелки является апериодическое звено первого порядка с постоянной времени ( ):

Модель тарельчатой секции из m тарелок принята в виде звена второго порядка с запаздыванием с передаточной функцией:

Для определения проведена аппроксимация кривых переходных процессов для секции из двадцати тарелок (Рис. 5б) и выведена приближённая формула для времени запаздывания секции в зависимости от числа тарелок (m):

где – средняя по колонне постоянная времени одной тарелки;

– коэффициент пропорциональности (Табл. 4).

Оценка динамических характеристик для реальной колонны по отдельным каналам проведена статистическим методом, путём обработки газоразделения Уфимского завода «Синтез-спирта».

Рис. 6. Взаимнокорреляционные функции по каналам управления (а – состава на верхней контрольной тарелке и фл ; б – состава на верхней В работе приведены взаимнокорреляционные функции по каналам возмущения, а также графики реализаций.

По взаимнокорреляционным функциям между входными и выходными координатами оценено запаздывание по каналам возмущения и управления (Рис. 6). Оценки времени запаздывания для модели секционной части колонны сопоставлялись с характеристиками, полученными на реальной колонне; установлено качественное и количественное совпадение результатов с характеристиками промышленной колонны.

Рис. 7. Схема автоматизации ректификационной колонны (а – принципиальная схема; б – процесс регулирования) Для оценки динамики работы локальных контуров регулирования проведено моделирование систем стабилизации уровня и давления в колонне в пакете ChemCAD (Рис. 7).

В четвёртой главе приведён алгоритм выбора структуры системы управления ректификационными колоннами на основе анализа физических свойств разделяемых смесей и внешних возмущений.

Рис. 8. Алгоритм выбора структуры системы управления Проанализирован способ контроля концентрации легколетучего компонента в смеси по косвенному параметру, в частности, по температуре кипения или по парциальному давлению. Показано что: для смеси близкокипящих компонентов температуры кипения и конденсации практически не могут использоваться для регулирования состава; при косвенном контроле состава по температуре кипения необходима точная стабилизация давления в колонне; анализ диаграмм равновесного состояния смеси позволяет определить место установки датчика температуры: в верхней части датчик устанавливается в паровой фазе, а в нижней части – в жидкой фазе.

На основе полученных результатов разработана структура АСУ и программа логического управления ректификационной колонной (Рис. 9).

Система АСУ имеет двухуровневую структуру:

Уровень 1: локальные системы регулирования отдельных технологических параметров (давление, уровень, температура питания, расходы);

Уровень 2: станция оператора осуществляет управление технологическим процессом, производит обмен блоками данных между контроллером и станцией оператора по сети Ethernet. Моделирующая станция – расчёт режимов технологического процесса и корректировка параметров.

По результатам исследований разработан учебно-тренировочный комплекс для студентов, обучающихся по специальности АТПП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

ректификационной колонны при возмущениях по расходу и составу питания в широком диапазоне, на основании которого производится выбор структуры системы управления колонной.

2. Предложен алгоритм логического управления ректификационными колоннами при колебаниях расхода и состава питания в широком диапазоне.

3. Впервые получена и апробирована секционная модель тарельчатой части ректификационной колонны.

ректификационными колоннами на основе анализа физических свойств разделяемых смесей и внешних возмущений.

моделированию АСУ ректификационных колонн.

6. Предложенный алгоритм программно-логического управления колоннами при изменении параметров питания установки в широком диапазоне рассмотрен ЗАО «Нефтехимпроект» с целью применения для разработки проектной и рабочей документации.

7. Результаты, полученные в работе, использованы в учебном процессе для проведения практических занятий и выполнения курсовых и дипломных проектов в МГУИЭ.

8. Алгоритм диагностики нарушений в технологическом процессе по СПЕЦАВТОМАТИКА».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Абрамов К.В. Применение пакета ChemCAD в УТК для изучения процесса ректификации как объекта управления // науч. конф. студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов. – М.: МГУИЭ, 2010 – c. 125-132.

2. Абрамов К.В. Особенности моделирования контуров управления уровнем жидкости в кипятильнике и конденсаторе ректификационной колонны // Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы II международной научно-практической конференции (30.06.2011). – М.:

«Спутник +», 2011 – с. 4-8.

3. Абрамов К.В. Методика определения коэффициентов ПИДконтроллера при моделировании автоматизированных систем управления ректификационной колонной с применением пакета ChemCAD // Инженерный Вестник Дона (электронный журнал) № 2, 2011.

4. Абрамов К.В., Степанова А.А. Применение пакета ChemCAD в задачах исследования процесса ректификации как объекта управления // науч. конф. студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов. – М.:

МГУИЭ, 2011 – c. 205-208.

5. Софиева Ю.Н., Абрамов К.В. Применение пакета моделирующих программ ChemCAD в учебно-тренировочных комплексах для изучения систем автоматизации ректификационных установок // Инженерный Вестник Дона (электронный журнал) № 1, 2012.

6. Абрамов К.В., Смирнов В.Н., Софиева Ю.Н. Программно-логическое управление ректификационными колоннами // Инженерный Вестник Дона (электронный журнал) № 1, 2012.

7. Абрамов К.В., Софиева Ю.Н. Разработка инвариантной системы управления процессом ректификации // ПРИБОРЫ №3(64), 2012 – с. 42-47.