Содержание к диссертации
Список сокращений 5
Введение 6
Анализ задачи управления технологическими процессами синтеза и ректификации с обратимыми реакциями на примере процесса синтеза
раствора ДХП 18
Анализ существующих методов математического моделирования мул ьти стадийных технологических процессов синтеза и
ректификации с обратимыми реакциями 19
Постановка задачи математического моделирования
технологического процесса синтеза раствора ДХП 26
Основные результаты 1 главы 31
Разработка математической модели процесса синтеза раствора
ДХП 33
Разработка модели концептуального уровня 34
Разработка модели процесса синтеза раствора ДХП топологического
уровня 36
Классификация параметров технологического процесса синтеза раствора ДХП 36
Отличие различных режимов протекания процесса синтеза раствора ДХП 37
Разработка модели топологического уровня процесса получения ДХП в лабораторных условиях 37
2.2.4. Разработка модели топологического уровня процесса получения ДХП
в промышленных условиях 40
2.3. Разработка математической модели технологического процесса
синтеза раствора ДХП 50
Типизация операторов связей 55
Разработка операторов связей модели структурного уровня технологического процесса синтеза раствора ДХП 57
Разработка математической модели технологического процесса синтеза раствора ДХП (на примере одной технологической нитки) 69
2.4. Особенности разработки математической модели с «виртуальными»
параметрами 71
Состояние проблемы 71
Метод декомпозиции информации 74
Алгоритмизация метода декомпозиции информации 75
Структура основного вычислителя 79
Результаты вычислительного эксперимента 81
2.5. Проверка адекватности математической модели 84
Выделение критериев оценки 84
Постановка задачи и разработка методики проверки адекватности модели 85
Проведение проверки адекватности вычислителя 87
Основные результаты 2 главы 90
3. Разработка системы управления процессом синтеза водного раствора
ДХП 93
3.1. Задача автоматического управления технологическим процессом
синтеза водного раствора ДХП 93
3.1.1. Особенности решения задач управления технологическим процессом
^ синтеза раствора ДХП 98
Вопросы учета динамики информационных измерительных каналов и объекта управления . IОI
Структурирование задач управления технологическим процессом синтеза раствора ДХП 104
ЗЛА. Алгоритмизация функций управления 106
3.2. Концепция построения автоматизированной системы управления
процессом синтеза раствора ДХП и расчеты элементов СУ 111
Обоснование перечня моделей, используемых при построении системы управления технологическим процессом синтеза раствора ДХП по показателям качества 111
Архитектура системы управления технологическим процессом синтеза раствора ДХП 113
Структура информационных потоков управляющей части системы управления технологическим процессом синтеза раствора ДХП 118
Описание алгоритма работы управляющей части АСУТП 119
Основные результаты 3 главы 120
4. Разработка имитационной модели АСУТП и вопросы реализации
автоматизированной системы управления 123
'4 4.1. Общее описание существующего программно-технического
комплекса технологического процесса синтеза раствора
ДХП 123
4.2. Вопросы реализации алгоритмов управления 127
4.2.1. Реализация алгоритмов системы регулирования 127
Реализация алгоритмов системы противоаварийной защиты и
блокировки 131
Реализация алгоритмов автоматизированной системы пуска и
останова технологической установки в штатном режиме 134
Основные результаты 4 главы 139
Заключение..... 142
Список использованной литературы. 145
Приложения
'%
5 Список сокращений:
ДХП - раствор дихлорпропанолов
ТХП - трихлорпропан
ХА - хлористый аллил
ХТК - хлорноватистая кислота
ХЭ - хлор-эфиры
ЭХГ - эпихлоргидрин
Введение к работе
Управление химическими многостадийными процессами синтеза и ректификации с обратимыми реакциями, как правило, производится в соответствии с технологическим регламентом, в котором оговариваются условия для режимных параметров ведения процесса и нормируются показатели качества получаемых продуктов [20, 24, 32, 39, 42, 46, 146].
Главной особенностью химических многостадийных процессов синтеза и ректификации с обратимыми реакциями является нестабильность характеристик сырья, определяющая необходимость изменения режимных параметров с целью поддержания нормируемых показателей качества получаемых продуктов. Влияние нестабильности характеристик исходных сырьевых компонентов для химических многостадийных процессов синтеза и ректификации с обратимыми реакциями отрицательно сказывается на технологическом режиме и показателях качества продуктов синтеза и ректификации [1, 2, 7, 116, 118, 128]. Это является одной из причин, обуславливающих необходимость повышения качества управления технологическими процессами с обратимыми реакциями [1, 2, 7, 8, 63, 129, 131, 139]. Необходимо отметить, что в условиях рыночной экономики выпуск конечной товарной продукции обусловливается потребительским спросом. Это выдвигает повышенные требования к режиму эксплуатации производственных установок и обуславливает тенденцию к снижению времени простоя отдельных агрегатов и технологических узлов. Сочетание нестабильного по характеристикам сырья и изменяющихся требований к показателям качества получаемых продуктов являются основными факторами, которые делают задачу подбора технологического режима чрезвычайно сложной. Трудности выбора режимных параметров связаны со следующими причинами [20]:
Отсутствие оперативного метрологического контроля показателей качества продуктов синтеза и ректификации в режиме реального времени, в связи с чем, управление производится на основе информации, получаемой путем отбора проб и проведения лабораторных анализов. Стоимость и технические возможности лабораторного контроля на предприятиях позволяют делать не более двух-трех анализов в смену.
Качество управления технологическими установками синтеза и ректификации с учетом задержек, инерционности производственных процессов, принципиально не может быть сделано высоким, т.к. возмущения имеют большую частоту, чем диапазон собственных (рабочих) частот подобных систем с обратной связью.
Объем передаваемой информации, который предлагается оператору (или автоматическому устройству) для выработки управляющих воздействий достаточно велик. Часто информация имеет нечеткий характер, ввиду ее неоднозначности, а оценка качества того или иного решения на управление проводится по многим плохо формализованным критериям. Это приводит к тому, что решения на управление формируются обычно экспертным образом, и качество управления зависит от опыта и других личных качеств обслуживающего персонала.
Актуальность
Анализ закономерностей и технологических особенностей ряда процессов синтеза и ректификации хлорорганических соединений позволил установить, что для большинства технологических процессов, вследствие высокой степени обратимости ряда химических реакций, неизбежным
8 является образование в реакционной массе побочных хлорорганических продуктов [116, 118, 119, 122, 128, 131]. Данная закономерность, а также погрешности измерения параметров, неоптимальное ведение технологического режима обуславливают существенные технологические потери и повышают производственную себестоимость конечных целевых хлорорганических продуктов. Немаловажным фактором является также ухудшение экологических показателей производства [143, 144, 146],
Целью оптимизации управления технологическими процессами является получение максимального количества конечных целевых хлорорганических продуктов синтеза (ректификации) и снижение числа побочных компонентов в реакционной массе при ограничениях, связанных с возможностями технологических аппаратов и ресурсов их работы[144, 145, 151, 160,162].
Трудности реализации задач управления и оптимизации обусловлены многостадийностью технологических процессов в химической технологии, высокой степенью взаимного влияния переменных, характеризующих технологические процессы, как между стадиями, так и внутри каждой стадии высокой степенью обратимости большинства протекающих реакций, невозможностью непосредственного измерения (либо измерения с достаточной точностью) параметров качества и констант химических реакций, а также низкой степенью информативности реальных измеренных величин [3, 7, 63, 85, 162].
Технологический процесс синтеза раствора ДХП является многостадийным процессом, большинство протекающих химических реакций являются обратимыми. На этапе синтеза конечного для данного процесса продукта - раствора ДХП, помимо целевого продукта образуется побочные хлорорганические компоненты (ТХП и ХЭ) [116, 118, 128, 160]. Кроме того, технологический «проскок» активных компонентов носит
9 систематический характер. Сложности качественного управления данным технологическим процессом вызваны рядом дестабилизирующих факторов на каждом из производственных этапов.
Учитывая вышеперечисленные особенности технологического процесса синтеза раствора ДХП, становится очевидным, что задачи управления этим технологическим процессом решаются в классе многоуровневых систем управления с использованием математических моделей процесса [122, 129, 131]. Конкретизировать количество синтезируемых побочных хлорорганических продуктов, в частности, ТХП возможно только используя математическую модель технологического процесса синтеза раствора ДХП, в то время как, измерить данный параметр в режиме реального времени невозможно.
Таким образом, задача оперативного управления по показателям качества химическими многостадийными процессами синтеза и ректификации с обратимыми реакциями является весьма актуальной, а ее разрешение позволяет заметно повысить эффективность эксплуатации химического производства [139, 144, 160, 162].
Цель работы
Целью работы является разработка методов управления и методик практической реализации автоматизированных систем управления химическими процессами синтеза и ректификации с обратимыми реакциями по показателям качества продуктов производства на примере технологического процесса синтеза раствора ДХП. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
1) разработать математическую модель технологического процесса синтеза раствора ДХП для целей оперативного управления по показателям качества.
2) разработать методологию получения информации о показателях
качества хлорорганических компонентов для целей оперативного управления
на базе декомпозиции информации модели с выделением ряда виртуальных
переменных;
3) разработать методические подходы к расчету элементов и
построению подсистем автоматизированных систем управления процессами
синтеза и ректификации по показателям качества с использованием
математических моделей на примере технологического процесса синтеза
раствора ДХП;
4) разработать архитектуру автоматизированной системы управления
технологическим процессом синтеза раствора ДХП по показателям качества;
5) разработать программное и алгоритмическое обеспечение
основных задач, возникающих при разработке автоматизированных систем
управления процессами синтеза и ректификации по показателям качества, на
примере технологического процесса синтеза раствора ДХП.
Необходимым условием является инвариантность полученной математической модели к изменениям сырьевых потоков. Это позволит применять метод декомпозиции информации и данный подход моделирования показателей качества к целому ряду аналогичных процессов синтеза и ректификации с обратимыми химическими реакциями [1].
Методы исследования.
Большое количество публикаций, посвященных проблемам моделирования многостадийных процессов синтеза и ректификации, систем управления этими процессами по показателям качества, включая подсистемы принятия решений [3, 12, 21, 25, 31, 94, 95, 98, 102, ПО, 114, 115, 116, 123, 124,127, 129, 145, 162] свидетельствует об актуальности данного вопроса. Сам процесс моделирования и разработки системы управления по
показателям качества, как правило, рассматривается и реализуется с позиций системного анализа. Поэтому методологическую основу при разработке автоматизированных систем управления по показателям качества составляют методы системного анализа, направленные на развитие топологии системы и структуры ее элементов [2,31]. Алгоритм разработки систем управления подобного класса является итерационным многошаговым процессом. На первом этапе задача управления декомпозируется на подзадачи определения математических моделей подсистем и требований к ним. На втором шаге производится интеграция автономных подсистем и элементов в систему и оптимизация общесистемных характеристик. На следующем этапе проводится анализ соответствия характеристик требованиям к системе. При необходимости производится уточнение моделей подсистем и моделей требований, и процесс повторяется с первого шага.
В соответствии с изложенным подходом для каждой подсистемы необходимо разработать адекватные математические модели и сформулировать требования в виде критериев, а также процедуры анализа и оптимизации характеристик. Для этого используются методы исследования и оптимизации сложных динамических систем [16, 32, 33, 39, 46, 91], методы анализа и синтеза систем принятия решений на основе автоматных, сетевых моделей[1,23,93,118,3,12, 114, 124].
Научные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие научные положения:
Методология построения системы управления многостадийными процессами синтеза и ректификации по показателям качества, использующую математическую модель процесса.
Метод декомпозиции процедуры расчета показателей качества. Суть метода состоит в том, что на первом этапе из числа доступных для непосредственного измерения параметров, предлагается организовать
12 отдельные информационные блоки, каждый из которых, с учетом закономерностей процессов и сведения балансов по количеству и качеству реагентов, позволяет моделировать отдельные стадии технологического процесса синтеза раствора ДХП и представлять результаты через интегральные (обобщенные) параметры, в число которых могут входить показатели качества. На втором этапе математическое описание технологического процесса проводится путем организации взаимодействия полученных информационных блоков на уровне интегральных параметров.
Обеспечение инвариантности регулируемых показателей качества, полученных по математической модели, к изменениям входных сырьевых потоков является базовым положением предлагаемых решений по управлению, что позволяет применять метод декомпозиции информации и данный подход к моделирования показателей качества для аналогичных процессов синтеза и ректификации с обратимыми химическими реакциями.
3. Метод математического моделирования многостадийных
процессов синтеза и ректификации с обратимыми реакциями, основанный на
алгоритмизации расчетов по стехиометрическим соотношениям процессов, и
позволяющий учитывать балансные коэффициенты обратимости
протекающих химических реакций, вычислять показатели качества процесса,
которые не могут быть измерены в режиме реального времени.
4. Методика построения системы управления по показателям
качества технологическим процессом синтеза раствора ДХП, включающая:
математическое моделирование технологического процесса синтеза раствора ДХП;
использование расчетных показателей качества в автоматических системах управления каскадного типа;
систему автоматизированного пуска и останова технологического процесса синтеза раствора ДХП в штатном режиме с использованием моделей.
13 Научная новизна работы
Научная новизна проводимой научной работы заключается в следующем:
Предложена методика расчета оперативно не измеряемых показателей качества, получаемых на основе метода декомпозиции информации, которая позволяет учитывать обратимость реакций и проводить управление в реальном масштабе времени.
Разработанная структура системы управления многостадийными процессами синтеза и ректификации ДХП по показателям качества с использованием математической модели отличается тем, что расчетные параметры используются для организации контуров управления каскадного типа; это позволяет повысить оперативность и качество процессов управления.
Разработан алгоритм автоматической проверки адекватности моделируемых показателей качества рассматриваемому технологическому процессу синтеза раствора ДХП, что позволяет организовать адаптацию моделей к изменяющимся условиям среды.
Практическая ценность результатов работы
Практическая ценность проводимой научной работы заключается в следующем:
1. Предложен комплекс алгоритмизируемых моделей для имитационного моделирования, принятия решений и диагностики.
Разработанная структура системы управления многостадийными процессами синтеза и ректификации ДХП по показателям качества с использованием математической модели отличается тем, что расчетные параметры используются для организации контуров управления каскадного типа; это позволяет повысить оперативность и качество процессов управления.
Разработан алгоритм автоматической проверки адекватности моделируемых показателей качества рассматриваемому технологическому процессу синтеза раствора ДХП, что позволяет организовать адаптацию моделей к изменяющимся условиям среды.
Предлагаемый системный подход разработки математических моделей, базирующихся на стехиометрических соотношениях и коэффициентах обратимости протекающих реакций, позволяет разрабатывать системы управления по показателям качества для широкого класса химических процессов синтеза и ректификации для вновь разрабатываемых или модернизируемых производств. Математическая модель технологического процесса синтеза раствора ДХП прошла опытно -промышленные испытания на ЗАО «Каустик». Проведенные исследования позволили обосновать рациональность структуры модели для целей оперативного управления широкого класса объектов химических процессов синтеза и ректификации с обратимыми реакциями.Предложенная автоматизированная система пуска и останова технологического процесса в штатном режиме, легко адаптируется к конкретным процессам синтеза и ректификации и реализуется на большинстве серийно выпускаемых микроконтроллеров.
Методы расчета, созданное алгоритмическое и программное обеспечение для расчета элементов и подсистем автоматизированных систем
15 управления по показателям качества, в том числе динамических многосвязных и топологически сложных систем, вычислителей показателей качества, имитаторов - тренажеров, могут быть использованы в работе научно-исследовательских и проектных организаций.
Апробация работы
Основные результаты и положения данной диссертационной работы обсуждались на:
55-й Научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - Уфа УГНТУ 2004г.
Научно-практической конференции «Промышленная экология. Проблемы и перспективы» - Уфа 2001г.
Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия - 2005» Уфа 2005г.
10-й международной конференции и выставки «Управление производством в системе Trace Mode».M: Adastra 2004г.
11-й международной конференции и выставке «Управление производством в системе Trace Mode» М: Adastra 2005г
Публикации
В рамках проводимой научной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 5 статей и 4 тезисов.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 158 страницах, содержит 36 иллюстраций, 24таблицы.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные цели исследований, определены основные трудности в выборе режимных параметров управления многостадийными процессами синтеза и ректификации по показателям качества. Во введении кратко описано содержание разделов, приведены основные положения, выносимые на защиту, практические результаты исследований.
В первой главе выполнен анализ задач управления многостадийными процессами синтеза и ректификации с обратимыми реакциями, выявлены основные особенности данного типа процессов с точки зрения способов управления, сформулированы задачи исследования.
На основе анализа возможностей получения информации о показателях качества обоснована целесообразность использования математических моделей, полученных на основе отображения множества параметров, характеризующих качество сырья и технологический режим в статическом режиме.
Проведен анализ эффективности существующих методов математического моделирования многостадийных процессов синтеза и ректификации с обратимыми реакциями.
Во второй главе рассматриваются вопросы разработки математической модели технологического процесса синтеза раствора ДХП. Определены особенности данного технологического процесса и основные задачи при разработке моделей для целей оперативного управления по показателям качества. Разработана математическая модель технологического процесса синтеза раствора ДХП.
Предложен метод декомпозиции информации, позволяющий идентифицировать переменные, оперативно измерить которые не
17 представляется возможным. Разработана методика проверки адекватности математической модели, проведена проверка адекватности. Предложен программный алгоритм, позволяющий автоматизировать процесс проверки адекватности математической модели.
В третьей главе предложена концепция проектирования автоматических систем управления химическими процессами синтеза и ректификации с обратимыми реакциями по показателям качества, являющихся сложными логико-динамическими системами. Процесс проектирования рассматривается как итерационный процесс согласования и уточнения до целесообразного уровня модели системы и модели требований. При этом множество возможных вариантов построения АСУ ПК образуется как отображение прямого произведения множества вариантов моделей системы и множества вариантов моделей требований.
В четвертой главе рассмотрены вопросы проектирования и расчета элементов динамической подсистемы нижнего уровня. Данная подсистема осуществляет поддержание режимных параметров технологического процесса на уровне уставок, формируемых подсистемой второго уровня.
Рассмотрены прикладные аспекты реализации автоматизированной системы управления на математических моделях технологическим процессом синтеза раствора ДХП по показателям качества. Рассмотрены вопросы реализации автоматизированной системы управления технологическим процессом синтеза раствора ДХП по показателям качества на серийных технических средствах.
Похожие диссертации на Автоматизация процессов управления многостадийными химико-технологическими процессами по показателям качества продуктов : На примере процесса синтеза раствора дихлорпропанолов
