Введение к работе
Актуальность исследования. В общей проблеме охраны окружающей среды от естественного и антропогенного воздействий, рационального использования и воспроизводства природных ресурсов борьба с загрязнением водоёмов бытовыми и производственными сточными водами является исключительно актуальной. Социально-экологическая сторона проблемы во многих случаях удачно совмещается с чисто экономической, поскольку огромное количество безвозвратно теряемых ценных веществ может, при их оптимальном извлечении и использовании, значительно пополнить сырьевые ресурсы страны.
Выполняя указания законодательных органов о необходимости дальнейшего усиления охраны окружающей среды, директивные органы постановили усилить работы по изучению, проектированию и строительству высокоэффективных водоочистных сооружений и устройств Возросшие в связи с этим требования к качеству их эксплуатации выдвинули необходимость значительного расширения круга задач, решаемых с позиций системного подхода на базе достижений теории управления, методов моделирования и оптимизации инженерно-экологических процессов и систем
Однако, специфика технологических схем, трудности контроля и управления очистными сооружениями долгое время не позволяли качественно автоматизировать эти объекты на базе известных методов. Поэтому весьма важной является разработка теоретической и методологической базы управления с учётом особенностей структуры и взаимосвязей оборудования, свойств обрабатываемых потоков и побочных продуктов очистки и обусловленных этими свойствами особенностей технологического контроля Решение этой проблемы стало особенно актуальным в последние годы в связи с принятием Госдумой РФ федеральных законов «Об охране окружающей среды» (1997 г), «Об отходах производства и потребления» (1998 г ) и вводом в действие новых стандартов, норм и правил (ГОСТ Р 17.4 3.07-2001, СНиП 2.01 28-95; СанПиН 2.17.573-98), значительно ужесточивших нормы допустимых загрязнений водоемов.
Работы по созданию очистных сооружений, автоматизированных в том смысле, который теперь вкладывается в общепринятое понимание термина «АСУ ТП», начались более 20 лет назад практически одновременно различными организациями в строительстве, коммунальном хозяйстве и ряде отраслей промышленности Большое количество публикаций, многочисленные доклады на федеральных и ведомственных конференциях и семинарах, специальные разделы на российских и международных выставках свидетельствуют об огромном масштабе этих работ. Тем не менее результаты каждого нового исследования вызывают неослабевающий интерес специалистов. Это обстоятельство объясняется многими причинами, основная из которых связана с тем, что принципы управления очистными сооружениями, хотя они и основываются на фундаментальных положениях теории управления, настолько тесно связаны со спецификой обрабатываемых материальных потоков и,
соответственно, управляемых объектов, что ішиабшка каждой норой автома-
у Ч рос. национальная!
I БИБЛИОТЕКА |
wafe?
тизированной системой оказывается в значительной степени оригинальной
Практически все современные очистные сооружения состоят из большого числа разнотипных машин и аппаратов, связанных между собой сложной технологической схемой. Характер этих связей весьма различен-сточные воды, сырой и избыточный ил, суспензии и сброженные осадки, обрабатываемые в одних аппаратах, поступают в следующие по ходу процесса сооружения; побочные продукты очистки, получаемые на одном участке системы, утилизируются на другом; исходные, промежуточные и конечные потоки распределяются между различными потребителями. Поэтому задача автоматизации управления такими природоохранными системами состоит не только в поддержании наиболее эффективного режима в каждом аппарате или сооружении в отдельности, но и в том, чтобы установить между элементами технологической схемы связи, обеспечивающие оптимальную работу всей системы в целом.
Практическое решение всей комплексной задачи управления такой сложной системой связано с большими трудностями, причиной которых является высокая размерность исходной задачи Поэтому обычно общая задача автоматизации управления разбивается на несколько подзадач, при этом создается многоуровневая система управления, так называемая интегрированная АСУ ТП. В этих многоуровневых системах подсистемы управления материальными потоками играют роль нижнего высокочастотного каскада В коммунальном хозяйстве больших городов и в системах водоснабжения крупных промышленных предприятий и промузлов обычно насчитывается несколько десятков, а иногда и сотен, таких подсистем Качество управления потоками в таких системах существенно влияет на точность отработки управляющих воздействий в АСУ ТП, а значит и на качество управления технологическими процессами на верхних уровнях иерархии Кроме того, нестабильность потоков вызывает ухудшение режимов работы многих агрегатов и сооружений, что связано с дополнительными непроизводительными затратами реагентов и энергии.
Свойства обрабатываемых потоков воды, ила, осадков, пульп весьма неблагоприятны для реализации автоматических измерений и управляющих воздействий В этих условиях надежность, живучесть и энергоемкость подсистем управления потоками во многом определяют эксплуатационные характеристики всей интегрированной АСУ ТП Однако до настоящего времени не исследована зависимость эффективности управления системами водоочистки от структуры подсистем и способов управления потоками и оборудованием, вследствие чего отсутствуют научно-обоснованные методы синтеза этих подсистем Таким образом, задачи исследования и разработки алгоритмов и систем управления потоками являются актуальными и важными для развития и совершенствования АСУ ТП очистных сооружений, повышения их эффективности и улучшения эксплуатационных характеристик
Настоящая работа выполнялась в соответствии с учебным планом обучения автора в докторантуре МГСУ в рамках межвузовской программы «Градостроительные основы архитектуры и строительства» (задание 7.2 -Разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий и конструкций высо-
коэффективных систем водоснабжения и водоотведения, кондиционирования микроклимата и теплоснабжения) и межвузовской научно-технической программы «Строительство» (научное направление 7 1 - Совершенствование систем водо-, газо-, тепло- и энергоснабжения населенных пунктов, зданий и сооружений)
Научно-техническая гипотеза. Гипотеза исследований предполагает возможность существенного повышения эффективности создания и функционирования водоочистных сооружений на основе использования современных методов и моделей изучения технологических систем, измененных подходов к оценке и реализации структур и технических средств управления материальными потоками и оборудованием.
Цель исследования - получение научных и методических результатов, дающих инженерам разработчикам и проектировщикам современных систем автоматизации очистных сооружений совокупность новых знаний, представлений и навыков, позволяющих в короткие сроки создавать системы управления потоками и оборудованием с более высокими потребительскими свойствами.
Задачи исследования:
анализ взаимодействия подсистем управления потоками и оборудованием с подсистемами более высоких уровней иерархии управления очистными сооружениями;
разработка и исследование методики обоснованного выбора на стадии проектирования АСУ ТП технического обеспечения управления потоками с учётом энергоёмкости управления и эксплуатационных затрат,
исследование условий частотной декомпозиции подсистем управления потоками на высокочастотную и среднечастотную части, разработка математических моделей этих частей и их линейных приближений с учётом свойств применяемых на очистных сооружениях насосных агрегатов, воздуходувных машин и систем технологического контроля;
разработка методики оценки точности управления потоками, учитывающей параметры управляемого технологического процесса, нагнетателей, регулируемого электропривода, гидравлических сетей и характеристики возмущающих воздействий при оптимальных параметрах контуров управления;
формулирование и исследование характеристического показателя эффективности одноконтурной и каскадной структур подсистем управления потоками; разработка методики структурного синтеза этих подсистем для САПР АСУ ТП, основанной на использовании этого характеристического показателя;
разработка алгоритмов и систем управления потоками и оборудованием в процессах аэробной очистки сточных вод в аэротенках, анаэробного сбраживания осадков в метантенках, механического обезвоживания осадков в вакуум-фильтрах и центрифугах, а также распределения потоков между параллельно работающими машинами и аппаратами;
экспериментальная проверка научных результатов и практических разработок.
Объект исследования: информационное и техническое обеспечение автоматизированного управления технологическими системами очистных сооружений
Предмет исследования: структуры, модели и алгоритмы управления потоками и технологическим оборудованием в процессах очистки и обработки осадков сточных вод
Методологические основы исследования: теория автоматического управления; теория функциональных систем; системотехника инженерно-экологических объектов; методы математического моделирования и оптимизации технологических процессов и оборудования, работающих в нестационарных условиях под воздействием случайных возмущений.
Научной новизной обладают следующие результаты исследований'
метод определения затрат энергии на управление материальными потоками с учетом их нестационарной составляющей, зависящей от дисперсии колебаний управляемого потока, и способ выбора экономически целесообразного технического обеспечения подсистем управления, основанный на применении этого метода;
математические модели подсистем управления материальными потоками в качестве нижнего уровня иерархической АСУ ТП очистных сооружений, способы частотной декомпозиции этих моделей и линейные математические описания их высокочастотной и среднечастотной составляющих;
экспоненциально-степенная аппроксимация частотных характеристик подсистемы управления потоком, аналитическое описание зависимости параметров аппроксимации от параметров нагнетателей, линейной модели управляемого объекта, схемы оперативного контроля и характеристик возмущений;
метод определения дисперсии колебаний управляемых параметров технологических процессов водоочистки и участвующих в них материальных потоках воды, воздуха, осадков и суспензий;
критерий целесообразности каскадной структуры подсистем управления потоками и основанная на его применении методика структурного синтеза подсистемы на стадии проектирования АСУ ТП очистных сооружений;
аналитические модели процессов аэробной очистки сточных вод в аэро-тенках с пневматической аэрацией и анаэробного сбраживания осадков в ме-тантенках с помощью острого пара, критерии их статической оптимизации и способы управления в режиме непосредственного цифрового управления;
принцип координации работы оборудования для механического обезвоживания осадков в вакуум-фильтрах и центрифугах и разработанные на его основе способы оптимального распределения потоков между параллельно работающими агрегатами.
Практическая значимость исследований. Значимость исследований состоит в том, что разработанная на их результатах методика синтеза подсистем управления потоками и оборудованием в АСУ ТП очистных сооружений позволяет в каждом конкретном случае определить экономически рациональный способ реализации управляющих воздействий, технические средства и структуру подсистем управления материальными потоками (воды,
реагентов, суспензий, теплоносителей) и технологическим оборудованием (насосы, воздуходувки, фильтры, центрифуги). Предварительные ориентировочные расчёты показывают, что использование полученных результатов позволит не только повысить технико-экономические результаты работы очистных сооружений за счет снижения более чем на 15% затрат электроэнергии, но и существенно сократить сроки и стоимость НИР и ОКР для проектируемых объектов, а также модернизировать структуры организационно-управленческих задач и соподчинённости диспетчеров и технологов цехов очистных сооружений. На рис 1 приведена методологическая схема исследований
Реализация результатов исследований. На основе полученных практических результатов для научно-производственных фирм и проектных организаций подготовлены рекомендации по выбору способов и технических средств управления материальными потоками и оборудованием в автоматизированных технологических системах очистки и обработки осадков городских и производственных сточных вод Они используются в практической работе ряда организаций ФА по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству и Минпромэнерго РФ, а также в учебном процессе при подготовке в МГСУ инженеров по специальностям: 2102 - Автоматизация технологических процессов и производств в строительстве, 2908 - Водоснабжение, водо-отведение, рациональное использование и охрана водных ресурсов, 2913 — Механизация и автоматизация строительства
Достоверность результатов. Полученные результаты достигнуты и подтверждены применением обоснованных и адекватных методов теоретических и экспериментальных исследований, физическими и вычислительными экспериментами с моделями реальных технологических систем водообра-ботки в широком диапазоне условий их эксплуатации, приемлемой сходимостью результатов моделирования с результатами эксплуатации систем
Апробация работы. Основные выводы и предложения диссертации докладывались на многих международных, российских и ведомственных научных конференциях и семинарах, в числе которых могут быть названы: 2-я -7-я научно-практические конференции «Строительство - Формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 1999 - 2004); 13-я и 15-я международные научные конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2000, 2002); международные научно-технические конференции «Интерстроймех» (Волгоград, 2003, Воронеж, 2004,); научно-практическая конференция «Строительство и экология» (Пенза, 1999); научно-техническая конференция «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2000), XII международный симпозиум «Теоретические проблемы строительства» (Жилин, Словакия, 2004) На конкурсе Совета предпринимателей при Мэре и Правительстве Москвы "Лучшие из Лучших" работа удостоена специального диплома, а её автору присвоено почётное звание "Лучший молодой преподаватель (учёный) г Москвы в 2005 году"
1. Научно-техническая гипотеза
Использование современных методов системного анализа и моделей изучения технологических систем, измененных подходов к оценке и реализации структур и технических средств управления материальными потоками позволят существенно повысить эффективность создания и функционирования водоочистных сооружений
2. Цель исследования:
Получение научных и методических результатов, дающих инженерам разработчикам и проектировщикам современных систем автоматизации очистных сооружений совокупность новых знаний, представлений и навыков, позволяющих в короткие сроки создавать системы управления потоками и оборудованием с более высокими потребительскими свойствами
3. Объект исследований:
системы управления материальными потоками и оборудованием в АСУ ТП очистных сооружений
4. Предмет исследований:
структуры, модели и алгоритмы управления потоками и оборудованием в процессах очистки и обработки осадков сточных вод
5. Задачи исследований:
-анализ взаимодействия подсистем управления потоками и оборудованием с подсистемами более высоких уровней иерархии, -разработка и иглтедовачие методотги обоспгтянного выбора технического обеспечения управления потоками с учетом энергоемкости управления и эксплуатационных затрат;
-исследование условий частотной декомпозиции подсистем управления потоками на высоко- и среднечастотную части, разработка математических моделей этих частей и их линейных приближений -разработка методики оценки точности управления потоками, учитывающей параметры управляемого технологического процесса, -формулирование и исследование характеристического показателя эффективности одноконтурной и каскадной структур подсистем управления потоками и разработка методики их структурного синтеза,
разработка алгоритмов и систем управления потоками и оборудованием реальными процессами очистки и обработки осадков сточных вод,
пповепка научных результатов и пгактических оазпаботок
7. Результаты, составляющие научную новизну:
метод определения затрат энергии на управление потоками с учетом их нестационарной составляющей и способ выбора экономически целесообразного технического обеспечения подсистем управления,
математические модели подсистем управления потоками в качестве нижнего уровня иерархичеокой АСУ ТП, способы частотной декомпозиции этих моделей и математические описания их частотных составляющих,
экспоненциально-степенная аппроксимация частотных характеристик подсистемы управления потоком, аналитическое описание зависимости параметров аппроксимации от параметров оборудования и объекта,
метод определения дисперсии колебаний управляемых параметров систем водоочистки и участвующих в них материальных потоках,
критерий целесообразности каскадной структуры управления и основанная на его применении методика структурного синтеза подсистемы,
математические модели ряда реальных процессов водоочистки; методы их статической оптимизации и способы управления в режиме НЦУ,
- принцип координации работы оберудования и способы оптимального
распределения потоков между параллельно работающими агрегатами
6, МетоЬояошяеате основы.
-теория автоматического управления;
-теория функциональных систем;
-системотехника инженер-но^экологических объектов,
-методы математического моделирования и оптимизации технологических процессов
8. Практическая значимость
методика синтеза подсистем управления позволяет' -определить: экономически рациональный способ реализации управляющих воздействий, технические средства и структуру подсистем управления материальными потоками и технологическим оборудованием,
-сократить сроки и стои
мость НИР и ОКР для
проектируемых объектов,
-модернизировать органи
зационно-управленческие
структуры и задачи сопод-
чиненности диспетчеров и
технологов сооружений,
повысить технико-
экономические показатели за счет снижения более чем на 15 % затрат электроэнергии
Рис. 1. Методологическая схема исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, в том числе 9 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов исследований докторских диссертаций.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав основного текста, общего заключения и списка литературы, насчитывающего 218 наименований Объём работы 286 страниц, в том числе основной текст - 224 стр, рисунки - 47 стр , перечень литературы -15 стр
Основные положения. На основании теоретических исследований и практических разработок на защиту выносятся следующие основные положения:
-
В иерархических АСУ ТП очистных сооружений и систем экономически обоснованный синтез подсистем управления потоками (нижних высокочастотных каскадов) должен производится с учетом влияния их работы на качество управления технологическими показателями водообработки, стабилизируемыми среднечастотными подсистемами, формирующими сигналы изменений заданий подсистем управления потоками, а также с учетом качества их стабилизации и энергоемкости управления.
-
В числе затрат на управление, сопоставляемых при выборе способа
іслпі'і-и^киї'і уыиигиацпп уііраплЯїчЩпл dvjj^cmviSww па маТсрИаЛЬНЫИ
поток (дросселирования потока с помощью регулирующего органа или изменения скорости регулируемого электропривода нагнетателя), важнейшими являются энергетические затраты на управление При их вычислении следует учитывать не только стационарные составляющие, зависящие от паспортных параметров нагнетателей и расчётных характеристик гидравлической сети, но и нестационарную составляющую, пропорциональную дисперсии колебаний управляемого потока. Вес этой составляющей необходимо определять аналитическим выражением, связывающим её с указанными параметрами насосных или воздуходувным агрегатов и характеристик транспортирующих сетей
3 Частотная декомпозиция математических моделей подсистем управ
ления потоками позволяет выделить высокочастотную и среднечас-
тотную части моделей Параметры линейной аппроксимации высоко
частотной части зависят от параметров нагнетателей, воздухопровод
ной или гидравлической сети; описание этой зависимости формали
зовано по результатам факторного эксперимента, поставленного на
нелинейной модели Оно однозначно определяет оптимальные значе
ния параметров настройки формирователя управляющих воздействий
в высокочастотном контуре стабилизации потока по показаниям рас
ходомера; выражения для расчёта оптимальных значений могут быть
получены анализом передаточных функций элементов контура Ли
нейная модель среднечастотной части включает' модель канала
управляющего воздействия технологического процесса, управляемо
го среднечастотной подсистемой АСУ ТП; ключ, замыкающийся с
частотой дискретного аналитического контроля; звено запаздывания
на время обработки и анализа проб, формирователь управления 4 Квадратичные амплитудо-частотные характеристики (АЧХ - квадраты модулей передаточных функций) высоко- и среднечастотной частей линеаризованной модели подсистем управления потоками имеют колоколообразную форму; их можно аппроксимировать произведением экспоненциальной и степенной функций частоты (подвергнуть экспоненциально-степенной аппроксимации), коэффициенты которых однозначно определяются параметрами моделей высоко- и среднечастотной частей. Аналитическое описание этой однозначной зависимости получено обработкой результатов исследований частотных характеристик моделей, что позволило получить систему соотношений, по которым рассчитываются оценки дисперсий колебаний расхода и технологического показателя качества очистки при оптимальной настройке обеих частей подсистемы. , 5. При оптимальном распределении и координации нагрузок между параллельно включенным оборудованием задачу управления следует ставить, как нахождение нагрузки насосов или воздуходувных машин, минимизирующей затраты электроэнергии, при условии что' суммарная нагрузка всех нагнетателей равна заданной производительности системы (ограничение типа равенства); напор, создаваемый каждым нагнетателем, должен быть не меньше сопротивления гидравлической (или воздухопроводной сети (ограничение максимальной нагрузки типа неравенства); устойчивая работа нагнетателя ограничивается только при нагрузках больших значения экстремально возможного напора (ограничение минимальной нагрузки типа неравенства). При управлении группой параллельно включенных нагнетателей одинакового типа необходимо вначале снижать нагрузку на одном произвольно выбранном агрегате, начиная с максимально допустимой до минимально допустимой, и после его разгрузки разгружать следующий и т.д. Для параллельно включенных нагнетателей разного типа следует максимально нагружать одни агрегаты, максимально нагружать другие, полностью выключать из работы третьи и частично загружать один из нагнетателей, в случае, если общая нагрузка близка к максимальной, снижать следует нагрузку того нагнетателя, производная характеристики которого имеет наибольшее значение. 6. Результаты научных исследований и разработок, защищающие положения 3-5, являются теоретической базой методики выбора целесообразной структуры управления материальными потоками и оборудованием очистных сооружений и систем Эта методика предписывает последовательность вычислительных процедур, на заключительной стадии которой вычисляется характеристический показатель -линейная комбинация указанных выше дисперсий для сравниваемых вариантов структуры В зависимости ст этого показателя делается заключение о целесообразности либо одноконтурной структуры, в которой команды на изменение управляемого потока формируются по
результатам дискретных запаздывающих измерений стабилизируемого технологического параметра, либо каскадной структуры, в которую дополнительно вводится высокочастотный каскад стабилизации управляемого потока, включающий измеритель расхода 7. Эффективность разработанной методики доказана на примере её применения при решении задач автоматизации действующих и проектируемых очистных сооружений и систем очистки сточных вод в аэротенках, анаэробного сбраживания осадков сточных вод в метан-тенках и механического обезвоживания в фильтрах и центрифугах непрерывного действия
Похожие диссертации на Автоматизация управления материальными потоками и оборудованием городских очистных сооружений и систем
