Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технологического процесса производства аммиачной селитры и постановка задачи исследования 12
1.1. Описание технологического процесса производства аммиачной селитры 12
1.2. Основные параметры аналитического контроля 18
1.3. Описание технологического процесса как объекта управления 22
1.4. Декомпозиционное управление сложными технологическими системами 28
1.5. Анализ уровня автоматизации на предприятиях отрасли 32
ГЛАВА 2. Построение математической модели производства аммиачной селитры 44
2.1. Выбор критерия оптимальности и постановка задачи оптимизации процесса 45
2.2. Анализ задач моделирования 50
2.3. Математическая модель подсистемы «нейтрализация» 52
2.4. Математическая модель подсистемы «выпаривание» 57
ГЛАВА 3. Выбор метода решения задачи оптимизации 60
3.1. Декомпозиционные методы оптимизации. Выбор рабочего метода декомпозиции 61
3.2. Решение задачи управления методом явной декомпозиции 65
3.3. Декомпозиция задачи управления 72
3.4. Построение алгоритма решения локальных задач 75
3.5. Глобальный алгоритм реализации метода явной декомпозиции 87
3.6. Эффективность алгоритма оптимального управления процессом 89
ГЛАВА 4. Система управления производством аммиачной селитры 93
4.1. Функциональная структура управления производством 94
4.2. Автоматизированная система управления производством аммиачной селитры 97
4.3. Техническая реализация двухуровневой системы управления 101
4.4. Контроллеры High-Performance Manager и Fail Safe Control фирмы Honeywell (США) 109
Результаты работы 117
Литература 119
Приложения 125
- Описание технологического процесса производства аммиачной селитры
- Выбор критерия оптимальности и постановка задачи оптимизации процесса
- Декомпозиционные методы оптимизации. Выбор рабочего метода декомпозиции
- Автоматизированная система управления производством аммиачной селитры
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из наиболее характерных черт современных химических производств является стремление к совершенствованию технологий, повышению производительности оборудования и увеличению единичной мощности агрегатов. При этом развитие современного производства сопровождается непрерывным возрастанием требований к качеству функционирования технических систем, которые необходимо учитывать на этапе разработки систем автоматического управления химико-технологическими процессами (АСУТП). Широкое внедрение в химическое производство АСУТП, которая базируются на современных аналитических приборах, ЭВМ и микропроцессорах, способствует увеличению производительности оборудования, улучшению качества продукции, повышению технико-экономических показателей за счет эффективного использования сырья и материалов.
Организация управления современным производством требует пересмотра традиционных схем управления и нового системотехнического подхода к разработке схем контроля и автоматизации. В этом случае проектируются не отдельные узлы автоматизации, а единая техническая система, которая включает в себя все устройства контроля и учитывает взаимосвязь и влияние этих устройств друг на друга.
Большинство химических производств относятся к классу сложных технологических процессов. Задачи управления таких процессов, как правило, имеют большую размерность и содержат сложные функциональные связи между переменными. Данное обстоятельство затрудняет решение этих задач обычными методами и приводит к необходимости их декомпозиции, т.е. разбиение на совокупность совместно решаемых подзадач меньшей размерности. Применение декомпозиционных методов позволяет значительно сократить вычислительные затраты на решение задачи, а потому упрощают процесс проектирования АСУ.
В настоящей диссертационной работе подобный метод явной декомпозиции применяется для решения задачи оптимального управления производством аммиачной селитры (АС).
На производстве АС в настоящее время эксплуатируется щитовая пневматическая система контроля и управления, имеющая низкие метрологические характеристики и быстродействие. Использование в системе управления современных средств микропроцессорной техники и двухуровневой иерархической системы управления позволит проводить процесс на новом качественном уровне.
Особое внимание в работе уделено разработке теоретических вопросов использования декомпозиционных методов оптимизации и их реализации в распределенных системах управления. В качестве конечного результата предложены алгоритмы декомпозиционного управления в производстве АС на ОАО «ЭлектроХимПром», г.Чирчик.
Целью настоящей работы является формулировка задачи оптимального управления производством АС, разработка его математической модели и создание эффективных алгоритмов пригодных для использования в распределенных автоматизированных системах управления, построенных на базе современных технических средств.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на принципах системного анализа объектов химической технологии методах математического моделирования и декомпозиционного управления производством.
Научная новизна работы заключается в следующем: - сформулирована задача управления производства АС и впервые предложены пути ее решения, как задача декомпозционного управления, - исследован метод явной декомпозиции и сформулированы обусловленные им локальные и глобальная задачи производством АС, построена математическая модель данного процесса,' разработан универсальный алгоритм декомпозиционного управления производством АС, основанный на применении комплексного метода Бокса (КМБ) совместно с методом скользящего допуска (МСД), который эффективен при решении задач оптимизации, обеспечивает высокую скорость сходимости вычислительных процессов и заданную точность решения задачи, на основе вычислительных экспериментов решена задача оптимального управления производством АС.
Практическая значимость. Предложена и обоснованна многоуровневая иерархическая система управления производством АС. Разработан алгоритм декомпозиционного управления, который может быть использован в качестве базового при построении алгоритмов управления сложными процессами химических производств, а также непрерывных производств, имеющих аналогичную структуру в других отраслях промышленности. Данный алгоритм, основанный на применении КМБ и МСД, эффективен в задачах оптимизации, содержащие, как однородные ограничения, заданные в виде уравнений или неравенств, так и смешанные ограничения. МСД обеспечивает универсальность алгоритма, а КМБ, за счет грубого сканирования области допустимых решений на первых этапах поиска, обеспечивает повышенную вероятность определения абсолютного оптимума в многоэкстремальных задачах. Предложен вариант технической реализации системы управления процессом производства АС на базе двухуровневой иерархической системы управления, с использованием оборудования и новейших разработок компании Honewell, США.
Апробация работы. Результаты работы апробированы на следующих конференциях: межвузовская научно-техническая конференция «Моделирование в химии и химической технологии» (г.Ташкент, 2002г.), 16-я Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», (г. Санкт-Петербург, 2003 г), а также на научных конференциях и семинарах МГУИЭ.
При этом конкретное участие автора заключалось в постановке задач, проведении вычислительных экспериментов, анализе полученных результатов. Все соавторы принимали участие в постановке задач и обсуждении результатов.
Основной материал работы изложен в четырех главах.
Первая глава посвящена анализу - технологического процесса производства АС и постановке задачи исследований.
В первом разделе приводится краткое описание технологического процесса, предназначенного для получения гранулированной аммиачной селитры.
В следующем разделе рассматриваются особенности данного процесса как объекта управления, приводится структурная схема производства АС и описана структура взаимосвязей отдельных стадий процесса. Отмечаются трудности автоматизации данного процесса, обусловленные рядом причин технологического характера.
В четвертый раздел посвящен описанию двухуровневой иерархической системе управления данным производством. Обоснована необходимость применения декомпозиционных методов при организации управления производством.
В пятом разделе исследуется проблема, рассмотренная в данной работе, и приведен анализ уровня автоматизации на предприятиях отрасли на основе работ других авторов.
В конце главы даны основные этапы решения задачи исследования.
Вторая глава посвящена постановке задачи управления и построению математической модели производством АС.
В качестве критерием оптимальности проведения процесса рассматривается сумма удельных технологических затрат по каждой подсистеме. Таким образом, задача управления производством АС заключается в минимизации данного критерия.
Задача характеризуется большой размерностью и сложной структурой, обусловленной многостадийностью процесса и сложными взаимосвязями между отдельными участками производства. Решение данной задачи традиционными методами приводит к большим затратам машинного времени и требуют большого объема памяти ЭВМ. По этой причине во второй главе показана целесообразность использования декомпозиционного подхода при решении задачи оптимального управления производством АС.
В результате декомпозиции возникающие задачи соответствуют локальным задачам управления подсистемами объекта и глобальной задаче их координации, решаемых соответственно на первом и втором уровнях иерархической системы управления. Решение этих задач может выполняться раздельно, за счет чего и достигается основной эффект применения методов.
Во втором разделе главы проведен краткий аналитический обзор существующих математических моделей процесса нейтрализации, где отмечается идентичность всех моделей, несмотря на их многообразие, и отсутствие описания изменения концентрации щелоков. Построена математическая модель основных технологических узлов производства АС, в частности процесса нейтрализации и выпаривания, что необходимо для решения поставленной задачи управления и определения некоторых неизмеряемых параметров.
Математические модели подсистем построены с применением аналитических и экспериментальных методов, путем составления основных уравнений материальных и тепловых балансов.
Математическая модель была проверена на адекватность по экспериментальным данным на промышленном объекте по критерию Фишера и ошибка не превышает 8%.
В третьей главе работы обоснован выбор метода явной декомпозиции для решения оптимального управления производством АС и разработан алгоритм решения задачи, окончательная формулировка, которой будет записана с учетом выбранного метода.
Использованный в работе метод явной декомпозиции выбран в результате сравнения его с методом неявной декомпозиции. Метод явной декомпозиции опирается на прямой поиск оптимальных решений, для чего необязательно требование непрерывности, дифференцируемости и выпуклости функций. Другое преимущество метода явной декомпозиции состоит в том, что при любых допустимых значениях параметров координации решение локальных задач удовлетворяют в нем всем ограничениям исходной задачи, и потому он позволяет получать приближенные решения, реализуемые на объекте управления, что имеет большое значение, так как на практике математические модели не полностью адекватны объекту.
В следующем разделе исследован метод явной декомпозиции и проведена декомпозиция задачи управления производством АС, в соответствии со структурой процесса.
Четвертый раздел посвящен разработке алгоритма декомпозиционного управления производством АС и описанию требований и преимуществ его применения. Алгоритм основан на использовании комплексного метода Бокса (КМБ) совместно с методом скользящего допуска (МСД).
В пятом разделе представлен глобальный алгоритм декомпозиционного управления данного процесса.
Алгоритм характеризуется тем, что для решения задачи координации и локальных задач с ограничениями типа неравенств, применяется КМБ.
В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с технической реализацией проектируемой системы управления процессом производства АС.
В первом разделе приводится функциональная структура системы управления производством АС: основные функции и организация двухуровневой системы управления производством АС, построенной по иерархическому принципу. Далее рассмотрена схема автоматизации производства и основные требования, предъявляемые к ней.
Следующий раздел содержит обоснование выбора и описание необходимых технологических средств для реализации двухуровневой системы управления данного процесса. В качестве аппаратных средств для осуществления всех функций контроля и управления используется система TOTAL PLANT SOLUTION (TPS) производства США интегрированная с системой противоаварийной защиты FAIL SAFE CONTROL (FSC 101R) и с системой архивирования данных процесса PROCESS HISTORI DATABASE (PHD). В качестве технологического средства для реализации функций управления в основных контурах регулирования был выбран контроллер High-Performanct Process Manager (НРМ) фирмы Honeywell. Управление на верхнем иерархическом уровне осуществляется с использованием компьютера IBM PC.
Предложенная двухуровневая иерархическая система управления АС реализована на Ферганском заводе по производству слабой азотной кислоты и аммиачной селитры, «Азот» , г. Фергана, Узбекистан.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Работа выполнена на кафедре «Информатика и компьютерные системы» Московского государственного университета инженерной экологии.
Описание технологического процесса производства аммиачной селитры
Для нормального развития растений требуется многие химические элементы. Особенно большая роль в минеральном питании растений принадлежит азоту, хотя его среднее содержание в растительной массе не превышает 1.5%. Без азота не может жить и нормально развиваться ни одно растение.
Значительное количество азота, содержащегося в почве, ежегодно уносится вместе с урожаем растительных культур, а часть теряется в результате вымывания грунтовыми и дождевыми водами. Поэтому для повышения урожайности сельскохозяйственных культур необходимо систематически пополнять запасы азота в почве путем внесения азотных удобрений. Наиболее распространенным азотным удобрением является аммиачная селитра (АС). Она имеет ряд преимуществ перед другими азотными удобрениями - содержит 34-34.5% азота - содержит одновременно аммиачную и нитратную формы азота. Другие твердые азотные удобрения содержат значительно меньше азота. АС используют также в промышленности, она входит в состав взрывчатых веществ в качестве окислителя. Основными стадиями производства являются: - нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком, - получение высококонцентрированного плава АС, - гранулирование плава и их охлаждение, - упаковка и хранение готового продукта. В основе процесса лежит гетерогенная реакция взаимодействия газообразного аммиака с разбавленной азотной кислотой. [1] NH3 + HN03 = NH4N02 + Q
Химическая реакция протекает необратимо с большой скоростью и выделением тепла. Количество тепла, выделяющееся при реакции нейтрализации, зависит от концентрации применяемой азотной кислоты и ее температуры, а также от температуры газообразного аммиака. На рисунке 1 представлена принципиальная схема крупнотоннажного агрегата по производству АС.
В производстве АС используется аммиак или газы, содержащие аммиак (продувочные газы, газы дистилляции производства карбамида) и азотная кислота концентрацией 58-60%. Используемое сырье не должно содержать примесей хлоридов, масел, органических соединений и ряда других веществ, усугубляющих опасность термического разложения и взрыва в технологическом процессе, сверхдопустимых пределов.
Процесс нейтрализации осуществляется в двух параллельно работающих аппаратах ИТН (использование тепла нейтрализации), под давление близким к атмосферному (Ризб=0,05кгс/см2), с получением раствора АС концентрацией 89-92%. Температура процесса 148-165С . Реактор ИТН представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из реакционной и сепарационной зон. В реакционной зоне имеется стакан, в нижней части которой расположены отверстия для циркуляции раствора. Азотная кислота после очистки от нерастворимых примесей, проходя через теплообменник [Т2], нагревается до температуры 70-80С. за счет тепла конденсации сокового пара, поступает в реакционный стакан аппарата ИТН. Одновременно туда же поступает, подогретый паровым конденсатом из выпарного аппарата до 120-130С в теплообменнике [ТІ] газообразный аммиак. Здесь в результате взаимодействия кислоты и аммиака образуется парожидкостная смесь. Эта смесь выходит из верхней части реакционного стакана; часть раствора выводится из аппарата и поступает в донейтрализатор, а остальная часть вновь идет вниз. Выделяющееся тепло идет на испарение большей части воды из образующегося раствора АС. В реакционной зоне получают раствор концентрацией 89 - 92%. Азотная кислота и газообразный аммиак с помощью системы автоматического регулирования дозируется в аппарат таким образом, чтобы на выходе из аппарата ИТН раствор АС имел бы некоторую избыточность кислоты (в пределах 2-5 г/л, что необходимо для полного поглощения аммиака в реакционной зоне и уменьшения потерь связанного азота с соковым паром).
В сепарационной зоне аппарата ИТН происходит отделение сокового пара от кипящего раствора, который затем поступает в промывную часть аппарата, состоящую из четырех тарелок и брызгоуловителя. Выход парожидкостной смеси осуществляется через завихритель, а верхняя часть реакционного стакана ИТН заканчивается диффузором, обеспечивающим постепенное нарастание скорости на выходе из стакана, тем самым предотвращается возникновение гидроударов больших масс парожидкостной смеси.
Из аппаратов ИТН раствор поступает в донейтрализатор, предназначенный для нейтрализации избытка кислоты газообразным аммиаком и для введения 30-40% магнезиальной добавки, необходимой для улучшения качества селитры. В качестве добавок иногда применяют фосфаты и сульфаты аммония, хлориды калия. Из донейтрализатора щелочной раствор АС (рН= 4,5 — 5,3) поступает на контрольный донейтрализатор большой емкости (10-20м3). Его назначение - надежно предотвратить попадание в выпарной аппарат кислых расворов.
Донейтрализированный раствор АС концентрацией не менее 87% по обогреваемому коллектору поступает в выпарной аппарат. Упаривание проводится под избыточным давлением, близким к атмосферному, за счет использования теплоты конденсации насыщенного пара давлением Ризб=1.2-1.4МПа и противоточной продувки горячим воздухом. Аппарат состоит из кожухотрубчатой тепломассообменной и тарельчатой массообменной зон. Раствор АС, поступающий из контрольного донеитрализатора, равномерно распределяется на верхней трубной решетке. Далее стекает по верхней поверхности трубок кожухотрубчатой части выпарного аппарата в виде пленки, концентрируясь до массовой доли NFkNCb 99,0-99,5%. Температура плава на выходе из трубчатой части аппарата 175-185С.
На ситчатых провальных концентрационных тарелках нижней массообменной части выпарного аппарата концентрация раствора повышается до 99,7-99,8% АС.
В нижнюю часть аппарата вентилятором непрерывно подается воздух из атмосферы, нагретый до 175-190С в подогревателе воздуха насыщенным паром давлением 1,2-1,4МПа. Объемная подача воздуха зависит от нагрузки. Воздух, проходя вверх через тарелки и по трубкам выпарного аппарата, вступает в контакт с упариваемым раствором. За счет разности парциальных давлений паров воды над раствором и в воздухе происходит массообмен, в результате которого раствор концентрируется, а воздух увлажняется.
Выбор критерия оптимальности и постановка задачи оптимизации процесса
В связи с этим представляется возможным качественно регулировать процесс нейтрализации, а при изменении содержания аммиака и азотной кислоты в потоках, в подаваемых для нейтрализации в аппарат ИТН, вообще нельзя осуществить регулирование; применяется также способ автоматического управления процессом нейтрализации путем регулирования подачи азотной кислоты в зависимости от потенциала платинового электрода [27]. Платиновый электрод находится при этом в электролитической ячейке. Стандартным электродом служит такой же платиновый электрод, опущенный в сосуд с эталонным раствором. Сосуд помещают в ту же электролитическую ячейку, и раствор селитры из аппарата ИТН проходит через эту ячейку. Разность потенциалов измерительного и стандартного электродов через усилитель подается на регулирующий электронный потенциометр. Последний управляет работой клапана, измеряя подачу кислоты в аппарат ИТН, до тех пор, пока кислотность раствора аммиачной селитры не совпадет с кислотностью эталонного раствора. Существенным недостатком этого способа является то, что измерение кислотности производится вне реакционной зоны, что значительно увеличивает инерционность регулятора, тем самым, снижая точность регулирования. Вследствие большого времени задержки система не отслеживает резкие скачки расхода аммиака, концентрации кислоты, из-за чего требуется стабилизация этих параметров и поддержание высокой избыточной кислотности раствора аммиачной селитры на выходе из аппарата ИТН. Это приводит к значительным потерям кислоты и выбросам ее в окружающую среду вместе с соковым паром. Кроме того, поскольку ячейка установлена на выходе из нейтрализатора, для ее функционирования требуется наличие потока раствора аммиачной селитры. Вместе с тем при пуске или технологических сбоях поток из аппарата не выходит, а значит , отсутствует и регулирование, т.е. при пуске и сбоях данный способ не работает. В работе [28] предложена система контроля и регулирования. Система включает один датчик, установленный в аппарате ИТН, и другой датчик на трубопроводе выхода раствора из аппарата ИТН. Работу датчиков обеспечивает потенциометрическое устройство, которое, управляя, датчиками получает от датчиков информацию об электрохимических параметрах рабочей среды. Окислительно-восстановительный потенциал раствора аммиачной селитры, а также токи окисления и восстановления ионов зависят от состава раствора. Величина потенциала поверхности нержавеющей стали, из которой изготовлен аппарат ИТН, характеризует ее коррозионное состояние, поскольку имеется четкая зависимость скорости коррозии от потенциала поверхности стали. При нерациональном ведении процесса (т.е. высоком содержании азотной кислоты) потенциал оборудования смещается в положительную сторону, попадая в область локальной коррозии. Контролер или компьютер управляет работой потенциометрического устройства, обрабатывает полученную информацию и определяет состав среды в реакционной зоне и трубопроводе на выходе из аппарата ИТН. В соответствии с программой, заданными параметрами технологического процесса и полученной информации о составе среды контроллер выдает управляющий сигнал на регулятор расхода азотной кислоты, тем самым, поддерживая оптимальное протекание процесса нейтрализации реагентов. Новая система успешно прошла испытания в промышленных условиях гарантируя контроль и поддержание избыточной кислотности раствора аммиачной селитры на выходе из аппарата ИТН в пределах 0.2 до 1.0 г/л по сравнению с базовыми показателями ( от 5.0 до 10.0 г/ л и выше), а также практически нейтральный конденсат сокового пара по сравнению с базовыми показателями от 10.0 до 25.0 г/л. Но в работе не учтены сроки работы аппарата ИТН коррозионное состояние, которого могут меняться с течением времени, что создает достаточно большие погрешности в регулировании кислотности раствора этим путем.
В отличие от вышеперечисленных методов управления и оптимизации разрабатываемый в данной работе метод управления позволяет устранить некоторые недостатки этих методов и значительно увеличить надежность системы.
Важной работой в проблеме повышения качества аммиачной селитры [17] играет разработка систем оптимального управления технологическими параметрами, связанными с ее физико-химических показателей. Создание таких систем требует решения ряда задач теоретического и практического характера. Из наиболее важных мер по улучшения физико-химических свойств аммиачной селитры отмечены следующие: - снижение содержания влаги в готовом продукте путем повышения концентрации исходного плава и уменьшения относительной влажности воздуха, подаваемого в выпарной аппарат.[ 18-20]. - стабилизация полиморфных превращений, протекающих в гранулах аммиачной селитры, путем соблюдения оптимального режима охлаждения продукта и стабилизация содержания в нем сульфатной добавки.[21-25].
В работе [17] разработана классическая модель прочности гранул, разработано дискретное устройство для автоматического изменения концентрации плава аммиачной селитры и содержания в нем сульфатной добавки, разработана программно-математические системы оптимального управления качественными показателями аммиачной селитры.
В производстве аммиачной селитры требуется не только контроль технологических параметров, но и автоматическое поддержание их в оптимальном режиме с целью экономного расходования азотной кислоты и аммиака, уменьшения их выбросов в окружающую среду с соковым паром, а также безопасного ведения процесса, поскольку при его нарушениях возможны взрывы и пожары (из-за присутствия нитритов или самопроизвольного терморазложения АС). Таким образом, чем точнее осуществляются контроль и регулирование процесса, тем более эффективным становится производство. В настоящее время еще более возрастают требования к точности регулирования в связи с переходом на новые технологии АС, в которых применяются повышенные температура и давление [11].
Декомпозиционные методы оптимизации. Выбор рабочего метода декомпозиции
В последние годы при разработке систем управления сложными технологическими комплексами для решения задач оптимизации широко применяются декомпозиционные методы, которые позволяют значительно снизить вычислительные трудности и упростить методологию решения большого класса задач. Математическое описание практически всех реальных объектов характеризуется большой размерностью, а также сложностью самих процессов. При решении сложных задач возникают две проблемы [32,33,42,43,46] либо недостаточно оперативной памяти, либо требуются большие затраты машинного времени. Обойти указанные трудности позволяет применение декомпозиции, причем, чем сложнее система, тем эффективнее применение декомпозиционных методов.
Развитие декомпозиционных методов началось с работ Эрроу и Гурвица и работ Дальцинга и Вульфа, которые исследовали задачи линейного программирования большой размерности. К настоящему времени декомпозиционные методы успешно применяются при решении систем алгебраических и дифференциальных уравнений, при решении задач математического программирования, а также при анализе и синтезе многоуровневых иерархических систем.
Применение декомпозиционных методов решения задачи оптимального управления состоит из двух этапов. Первый - это разбиение сложной многомерной задачи на ряд отдельных подзадач меньшей размерности и с более простой структурой. Второй этап - организация совместного решения полученных подзадач, которое включает в себя задачи выбора метода и разработку алгоритма решения каждой подзадачи, обмена информации между подзадачами и координации решения в соответствии с общим критерием оптимальности.
В основе решения оптимального управления методом декомпозиции лежит двухуровневая схема принятия решений (рисЗ.1). В результате декомпозиционного подхода исходная задача разбивается на ряд локальных подзадач и одну задачу координации. При этом решение сложной задачи сводится к процессу итеративного обмена информацией между задачей координации и локальными задачами. Всё множество декомпозиционных методов можно разделить на два больших класса- методы явной и неявной декомпозиции. Основное отличие методов декомпозиции заключается в способе координации решения независимых локальных подзадач. В методе явной декомпозиции в качестве параметров координации выступают переменные, отражающие связи между стадиями, а в методе неявной декомпозиции — параметры декомпозиции являются некоторые неопределенные коэффициенты, имеющие смысл цен. Метод неявной декомпозиции основан на применении множителей Лагранжа, где нахождение оптимального решения задачи оптимизацииРешение функции Лагранжа L на множестве S возможно лишь в тех задачах, где функции, связывающие переменные непрерывны, дифференцируемы и, кроме того выпуклы, а функцияgt(х,,ы,)- линейна. В случае невыпуклости функций применение этого метода становится затруднительным. Метод явной декомпозиции не накладывает особых ограничений на вид функций, так как он опирается на прямой поиск оптимальных решений, для чего не обязательно требовать непрерывности и дифференцируемости, а главное выпуклости функций. Другое преимущество метода явной декомпозиции заключается в том, что он позволяет получать приближенные решения задачи, которые реализуются на объекте. Это преимущество имеет большое значение, поскольку математические модели не точно отражают состояние объекта. Использование же метода неявной декомпозиции при решении задачи приводит к необходимости точного решения координационной задачи, что не допускает приближенных решений, реализуемых в задачах управления. Также необходимо отметить, что метод явной декомпозиции не позволяет применять градиентные методы в задаче координации, потому что в критерий оптимальности на множестве М задан алгоритмически и трудно дифференцируем, метод неявной декомпозиции допускает возможность применения градиентных методов, которые являются быстросходящимися. Это обеспечивается за счет того, что имеется возможность корректировать значения множителей Лагранжа L(x,u,y,ji), для которого легко вычисляется градиент — по невязкам связей между подсистемами. Несмотря на различные области применения, все декомпозиционные методы имеют много общего. В основе данных методов лежит представление исходной сложной задачи с помощью сложных отображений и последующая структурная декомпозиция задачи на ряд подзадач. При организации совместного решения отдельных подзадач необходимо получить решение исходной задачи, что обеспечивает возможность значительного сокращения вычислительных затрат. Выше перечисленные преимущества и недостатки позволяют сделать выбор метода оптимизации, используемого для данного производства аммиачной селитры. Так как функция gi не линейна и выпуклость f;,hi не доказана, а в управлении технологическим процессом возможно получение приближенных значений, то метод явной декомпозиции можно считать приемлемым. Таким образом, в работе для решения задачи оптимизации использован метод явной декомпозиции.
Автоматизированная система управления производством аммиачной селитры
Для регулирования расхода сокового пара на верхнюю тарелку аппарата ИТН и выпарного аппарата предполагается использовать ПИ-закон регулирования. При этом расход изменяется і при изменении температуры раствора. Измерение расхода и преобразование выходного сигнала осуществляется при помощи электрорасходомера. Значение параметров расхода необходимо контролировать для оценки технико-экономических показателей.
Для регулирования температуры используется ПИД-законы регулирования, а ее измерение осуществляется с помощью интеллектуального датчика температур STT35F, компании Honeywell и зарегистрированный Fieldbus FOUNDATION. Устройство способно обеспечить измерение широкого диапазона изменения температур, позволяя сократить расходы на установку.
Задача регулирования давления заключается в стабилизации параметра. Для его измерения используются интеллектуальный датчик давления ST 30000FF Open Field, также разработанный фирмой Honeywell. Низовая автоматика Open Field, к которой относятся датчики давления и температуры имеют ряд преимуществ: снижение расходов на установку и эксплуатацию, возможность передачи данных в цифровом виде в пределах предприятия, для отслеживания расходов и энергозатрат, для решения вопросов оптимизации, снижение расходов на инженерное и операторское обслуживание, улучшение качества селитры, благодаря быстрым контурам регулирования, снижение времени простоев, благодаря свойствам Fieldbus FOUNDATION, связанных с отказоустойчивостью. При измерения рН плава раствора после ИТН, после выпарного аппарата сокового пара на выходе из аппарата ИТН применяются стандартные рН-метры. Регулирование расхода азотной кислоты осуществляется при помощи каскадной системой управления: соотношения расходов аммиака и азотной кислоты с коррекцией по рН раствора, с установкой оптимального расхода азотной кислоты. Измерение уровней растворов плава аммиачной селитры производится пьезометрическим способом. Числовые значения рН и температуры попадают в программно-технический комплекс (ПТК), который производит расчет оптимальных расходов параметров для азотной кислоты и аммиака, в соответствии с критерием эффективности функционирования процесса. В состав ПТК входят разработанное программное обеспечение и персональный компьютер. К информационным функциям АСУТП кроме технологического контроля и линеаризации параметров относится также, такие как анализ ситуаций в объекте управления и расчет косвенных показателей процесса. Систему для автоматизированного контроля и управления составляют обычно единую для двух агрегатов: агрегата неконцентрированной азотной кислоты АК-72М и агрегат аммиачной селитры АС-72М. В предыдущем разделе приведена система автоматизации процесса производства аммиачной селитры. Как уже отмечалось задачу оптимального управления данной системой, следует рассматривать как двухуровневую, построенную по иерархическому принципу. В данной работе использована система TotalPlant Solutions (TPS) разработанная компанией Honeywell производства США. Она объединяет в себя возможности устойчивого надежного распределения управления, а также усовершенствованные приложения, такие как многопараметрическое управление, управление периодическими процессами, оптимизация, отслеживание динамики работы всего предприятия и средства управления информацией. Эти качества позволяют быстро реагировать на изменения рынка, не жертвую при этом ни вопросами безопасности, ни целостности процесса. Стратегия управления по данной системе может быть простой и представлять собой один контур управления, а может описывать блок процесса и состоять из нескольких контуров управления. После того, как стратегия полностью скомпонована, ее можно скопировать, просто нажав кнопку «мыши» и дав название дубликату. Стратегии управления располагаются в иерархическом порядке. Архитектура системы TotalPlant Solutions представлена на рис. 4.3. Система TPS включает в себя следующие основные компоненты: - современный интерфейс человек/машина — Global User Station (GUS) (Глобальная пользовательская станция). GUS —это наиболее широко используемая в различных отраслях промышленности операторская станция на базе Windows NT. GUS представляют удобные средства доступа к любой информации предприятия. Живое трехмерное изображение позволяет вести визуальное наблюдение за производственным процессом -Application Processing Platform (АРР) (Платформа прикладных задач). На АРР устанавливаются открытые прикладные программы, моделирующие производство и способствующие получению прибыли. Это один из важных продуктов компании Honeywell, объединяющий открытые стандарты с ведущим опытом усовершенствованного управления. - Application Director (Директор прикладных задач) - это программный продукт для управления и контроля работой прикладных задач программ под Windows NT, реализующих усовершенствованное управление технологическим процессом производства аммиачной селитры.
