Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В УСЛОВИЯХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СКРЫТЫХ ИСТОЧНИКОВ НАРУШЕНИЙ 14
1.1. Формирование корректирующих действий при управлении качествам продукции 14
1.2 Решения по управлению объектом, принимаемые в условиях возникновения технологических нарушений 18
1.3 Анализ принципов технического диагностирования 20
1.3.1 Задачи и способы диагностирования 20
1.3.2 Функциональное диагностирование на базе использования принципа избыточности информации 29
1.3.3 Поиск дефектов и вопросы структуризации поисковых процедур 35
1.4 Системность, формализация проблемы и постановка задач корректирующего управления 41
ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 50
2.1 Диагностируемые объекты и концепция структуризации 50
2.2 Диагностика агрегированием переменных состояния химико-технологических объектов 56
2.2.1 Агрегирование состояний объектов химической технологии 56
2.2.2 Диагностика по балансам материальных потоков и уравнениям тепловых балансов 58
2.2.3 "Стехиометрическая" диагностика 64
2.2.4 Диагностика по кинетическим моделям 70
2.2.6 Параметризация состава усредненных компонентов в реакционной системе 75
2.2.7 Моделирование реакционных систем эволюцией параметризованных распределений компонентов 82
2.3 Диагностирование при комбинировании балансовых и нормативно- статистических уравнений математического описания 90
2.3.1 Особенности использования нормативно-статистических уравнений 90
2.3.2 Структурная организация функционального диагностирования систем автоматического регулирования 94
2.3 3 Структуризация невязок в условиях помех 106
2.3.4 Принятие решений при диагностике парным сравнением 109
2.4 Статистически оптимальное диагностирование 113
2.4.1 Получение диагностических оценок 113
2.4.3 Пример использования диагностики парным сравнением для функционального объекта, описываемого линейной статической моделью 120
2.4.4 Использование динамических моделей диагностируемых объектов в условиях помех 123
ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНЫХ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ПРОГРАММ... 124
3.1 Проблемы оптимальной коррекции 124
3.2 Ограничение числа допустимых решений на шаге коррекции 133
3.3 Упорядочение процедуры поиска корректирующих стратегий 135
3.4 Линейные аппроксимации модели объекта корректирующего управления 139
3.4.1 Линеаризация функции F(x,a) по переменным технологического режима 139
3.4.2 Линейность функции F(x,a) по параметрам 143
3.5 Корректирующая оптимизация управления 149
3.6 Структурная реализация управления 152
3.7 Управляемость линейных объектов в статике 155
3.8 Гарантированные отклонения при управлении статическими режимами линейных объектов 160
3.9 Задача стабилизации статических режимов линейных объектов 163
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА КАК ОБЪЕКТА АГРЕГИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ 166
4.1. Общее описание объекта 166
4.1.1. Значение и направления развития промышленности технического углерода 166
4.1.2. Важнейшие показатели качества технического углерода 170
4.1.3. Характеристика углеводородного сырья 172
4.2. Модели корректирующего управления верхних уровней агрепірования переменных состояния 175
4.2.1. Схема корректирующего управления производством и технологическими участками 175
4.2.2. Стадийность и связь технологических процессов основного производства 180
4.2.3. Получение аэрозоля технического углерода в реакторах 190
4.3. Балансовые модели корректирующего управления реактором 194
4.3.1. Элементные балансовые уравнения 195
4.3.2. Зонные балансы диагностической схемы реактора 198
4.3.3. Описание горения топлива... 200
4.3.4. Испарение, горение и дегидрирование сырья 202
4.3.5. Охлаждение углеродо-газовой смеси и подогрев воздуха 204
4.4. Условно-оптимальные режимы управления реактором 206
4.4.1. Предельный выход углерода при отсутствии температурных ограничений 206
4.4.2. Системные эффекты взаимного влияния на выход продукта состава сырья и технологического режима 211
4.4.3. Оптимизация термоокислительного процесса с учетом температурных ограничений 213
4.4.4. Контрольно диагностические модели ACP 224
4.5. Моделирование подачи сырья в производство 226
ГЛАВА 5. ДИАГНОСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТОРНЫМ ПРОЦЕССОМ ПО КИНЕТИЧЕСКИМ МОДЕЛЯМ УГЛЕРОДООБРАЗОВАНИЯ 233
5.1 Направления моделирования кинетики образования технического углерода в реакторах 233
5.2 Образование монодисперсного продукта из мономолекулярого сырья 237
5.2.1. Образование и рост частиц дисперсной фазы 237
5.2.2. Описание кинетики завершающих стадий процесса 244
5.2,3 Коррекция управления по кинетической модели 249
5.3 Макрокинетическая модель 251
5.4 Модель полидисперсного роста углеродной поверхности 259
ГЛАВА 6. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ КАЧЕСТВА СЫРЬЕВЫХ СМЕСЕЙ 265
6.1. Параметрическое моделирование сырьевых смесей 265
6.1.1 Цели и способы моделирования сырьевых смесей 265
6.1.2 Выбор параметров для моделирования распределений группового состава смесей и кинетических констант 271
6.1.3 Модель стуктурной единицы углеводородной группы 272
6.2. Использование моделей сырьевых смесей в уравнениях кинетики углеродообразования 274
6.2.1 Влияние стадий испарения м горения сырья на свойства усредненной молекулы в кинетических моделях термоокислительного пиролиза 274
6.2.2 Параметризация кинетических модели по показателям качества сырьевых смесей 276
6.2.3 Управление составом углеводородного сырья на стадиях испаренияв процессах термоокислительного пиролиза 281
6.2.4. О построении моделей эволюции структурно-группового состава... 290
Основные результаты работы и выводы 293
приложение 296
ш. анализ существующих представлений о механизме углеродообразования 296
п2 параметрическое и "фракционное" моделирование групповых распределений 312
ЛИТЕРАТУРА 319
Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Повышение качества эксплуатации и функционирования автоматизированных технологических комплексов (АТК) является необходимым условием увеличения конкурентоспособности промышленных предприятий. Эффективность функционирования АТК зависит от точности и оперативности принятия управленческих решений на технологическом уровне. Точность таких решений определяется оперативностью и безошибочностью оценивания и прогнозирования изменений технологической ситуации.
Несмотря на существенные усилия, предпринимаемые для предотвращения непрогнозируемого хода эксплуатации объектов АТК, формирование управления зачастую осуществляется в условиях непредвиденных технологических нарушений. Нарушения проявляются как отклонения переменных технологического режима и показателей качества производимого продукта за установленные допуски. Они представляют собой последствия запаздывания в обнаружении порождающих их скрытых источников. К числу таких источников относятся возникающие "в реальном времени" дефекты технологического оборудования и средств автоматизации, неконтролируемые возмущения, изменение целей и приоритетов управления.
Приведение объектов АТК к предписанным условиям функционирования осложняется ограниченностью ресурсов обслуживания совокупности уже обнаруженных дефектных элементов и узких мест. Неверно заданная последовательность обслуживания вызывает увеличение времени работы АТК в условиях технологических нарушений. Поэтому при изменениях технологической ситуации и вызванных ими нарушениях предписанных условий работы АТК требуется решение задач:
• оперативного выявления скрытых причин таких нарушений (технической диагностики),
• построения эффективной стратегии устранения выявленных дефектов и узких мест (технического обслуживания),
• коррекции технологического режима, приводящей к восстановлению предписанных или оптимальных условий функционирования комплекса (управления). Создание программно-технических средств, решающих эти задачи, является важным направлением в деятельности ведущих мировых производителей автоматизированных систем управления и их компонентов. Следует заметить, что техническая диагностика, техническое обслуживание и управление объектами АТК зачастую рассматриваются как предметы самостоятельных научно-технических дисциплин, и описываются специфическими для них моделями. Несогласованность таких моделей существенно снижает эффективность эксплуатации АТК и гибкость управления в условиях возникновения скрытых источников технологических нарушений. Поэтому решение проблемы системного связывания диагностики, обслуживанижи управления технологическими режимами объектов АТК является важным и актуальным научно-техническим направлением совершенствования систем их автоматизации.
Цель работы
Разработка теоретических основ управления функционированием автоматизированных технологических комплексов, корректирующего их техническое состояние и технологические режимы в условиях возникновения скрытых источников нарушений.
Для достижения цели решаются следующие задачи исследования:
• обоснование актуальности, формализация проблемы и постановка задач корректирующего управления;
• формирование концептуальной и разработка математических моделей автоматизированного диагностирования АТК с непрерывным характером технологических процессов;
• создание методологии системно связанного решения задач технического обслуживания и управления объектами АТК (методологии синтеза стратегий корректирующего управления);
• построение математических моделей объектов АТК крупнотоннажного производства технического углерода;
• применение разработанных принципов для корректирующего управления объектами производства технического углерода. Методы исследований Для исследования проблемы и решения задач корректирующего управления использовались методы системного анализа, функциональной диагностики, математического моделирования, теории идентификации, математического программирования, оптимального управления, численного и аналитического решения интегро-дифференциальных уравнений. Научная новизна Впервые сформулирована проблема корректирующего управления, связывающего воедино диагностику, обслуживание и управление объектами АТК в условиях устранения возникающих скрытых источников технологических нарушений. Для ее решения предложены:
• методы диагностирования классов источников нарушений, характерных для объектов химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей технологий, базирующиеся на последовательном агрегировании переменных состояния в математических моделях этих объектов;
• принципы, структура и методология синтеза стратегий корректирующего управления, основанные на использовании единого математического описания объекта в процедурах диагностирования, технического обслуживания и управления при приведении объекта в область допустимых технологических режимов;
• метод параметрического варьирования структуры и характеристик моделей для построения единой многомодельной системы диагностики, технического обслуживания и управления объектом;
• методология синтеза корректирующих программ, оптимальных по сумме затрат на всех шагах коррекции и минимизирующих критерий близости технологических режимов к допустимой области на каждом корректирующем шаге;
• » многоуровневая модель корректирующего управления производством технического углерода, представленная тремя уровнями агрегирования переменных в иерархии описания АТК:
о уровнем коррекции характеристик и режимов загрузки технологических линий основного производства, о уровнем коррекции и согласования производительностей технологических участков, о уровнем коррекции параметров и переменных технологических режимов основных аппаратов (реакторов) производства. • принципы и алгоритмы корректирующего5 управления объектами АТК производства технического углерода, обеспечивающие условную оптимальность режимов реакторного блока производства для каждого из видов используемого сырья.
Практическая значимость На базе разработанных принципов и методологических основ корректирующего управления
• созданы алгоритмы и программное обеспечение подсистем корректирующего управления для их включения в,, состав АСУ TIT на предприятиях химии, нефтехимии и нефтепереработки;
• разработаны методы и программное обеспечение функциональной диагностики типовых одноконтурных и многоконтурных систем автоматического регулирования, применяемых для стабилизации режимов объектов непрерывной технологии;
• сформулированы и проверены численным экспериментом представления о характере эволюции состава сырья на начальных стадиях термоокислительного пиролиза, позволяющие усовершенствовать технологию и аппаратурное оформление процесса;
• формализованы возможные источники нарушений нормального функционирования реакторов и подготовлены программно-алгоритмическое обеспечение функциональной диагностики технологических нарушений в системе автоматизированного управления производством технического углерода; •- найдены оптимальные (во всем диапазоне изменения свойств сырья и марок продукта) условия ведения технологических процессов реакторного блока установок по производству технического углерода. Результаты работы приняты к использованию в составе новой системы автоматизации технологических процессов на этапе технического перевооружения ОАО "Ярославский технический углерод" и могут быть рекомендованы к применению на промышленных объектах переработки углеводородного сырья.
Апробация работы и публикации
Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Опыт разработки, перспективы развития и внедрения АСУ в нефтяной и нефтехимической промышленности". Сумгаит, 1977; Всесоюзной научно-технической конференции "Создание комплексных систем управления на предприятиях машиностроения» с использованием ЭВМ", г.Омск, 1979, Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и опыт внедрения автоматизированных систем управления в нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности", Сумгаит, 1980; Второй Всесоюзной научно-технической конференции "Применение микропроцессорной техники при автоматизации технологических процессов производства и в системах автоматического регулирования, Москва, 1987; Международной конференции "Применение средств измерения времени и частоты в народном хозяйстве стран - членов СЭВ, Москва., 1987; Всесоюзной конференции "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" Тамбов, 1988; VI Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания преобразователей формы информации", Киев, 1988; II Всесоюзной конференции "Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами", Грозный, 1989; Всесоюзном научно-техническом совещании "Теоретические и прикладные проблемы создания систем управления технологическими процессами", Челябинск, 1990; Всесоюзной конференции «Математические метод химии» (ММХ-7) Казань, 1991; Всесоюзном научно-техническом совещании «Совершенствование сырьевой базы и повышение эффективности использования сырья в производстве технического углерода". Омск. 1991; Международной конференции "Микропроцессорные системы управления технологическими процессами пищевой промышленности", Киев 1992; Всероссийской научной конференции "Математические методы в химии", ММХ-8, Тула, 1993; IV Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии, Ярославль, 1994; Международной научной конференции "Математические методы в химии и химической технологии": ММХТ-9 , Тверь, 1995; ММХТ-10, Тула, 1996; ММХТ-11, Владимир, 1998; Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях": ММТТ-12, Великий Новгород, 1999; ММТТ-2000, Санкт-Петербург, 2000; ММТТ-14, Смоленск, 2001; ММТТ-15, Тамбов 2002.
Основные положения диссертации отражены в 112 публикациях. В их числе - 26 статей в академических и рецензируемых научных журналах, 14 - в сборниках трудов международных конференций, 4 - в отраслевых сборниках трудов, 16 - в сборниках трудов ВУЗов, 28 - в тезисах докладов Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций.
По результатам работы издана монография, получено 11 авторских свидетельств. Практически все научные результаты диссертации получены автором.
Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве и отраженных в ее результатах, состоят в постановке задач, разработке теоретических положений, а также - в непосредственном участии во всех этапах исследований.
СТРУКТУРА И ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Работа включает введение и шесть глав.
В первой главе анализом современных тенденций в области управления качеством, а также возможностей функционального диагностирования и функций персонала автоматизированного технологического комплекса обосновано направление исследований. Введено понятие, поставлена научная проблема, и формализованы постановка задач корректирующего управления. Отмечена специфика интерпретации параметров и роль мониторинга невязок математических моделей объектов ЛТК при их использовании в целях управления и технического обслуживания.
Во второй главе разработана методология функционального диагностирования на базе использования моделей объектов, входящих в состав автоматизированного технологического комплекса.
Предложены способы выявления источников нарушений, характерных для различных уровней иерархии описания ЛТК химической и нефтехимической технологии. С этой целью изучена структура невязок, получаемых последовательным агрегированием переменных в уравнениях кинетики и материальных балансов. Построены минимаксные алгоритмы диагностики, выполняющейся в условиях влияния неточности уравнений и случайных погрешностей контроля измеряемых переменных.
В третьей главе решена задача синтеза оптимальных корректирующих программ для установившихся режимов динамических объектов ЛТК. Предложен механизм "генерирования" моделей объектов корректирующего управления при возникновении источников нарушений. Разработаны методология синтеза и структурной реализация синтезированного управления. Исследованы условия реализуехмости допустимых статических режимов.
В четвертой главе приведены примеры построения систем корректирующего управления объектами производства технического углерода, представляющего собой современную отрасль нефтехішии. Рассмотрены структурно-функциональная организация и построены математические модели объектов корректирующего управления для разных уровней иерархии автоматизированного технологического комплекса (АТК) производства. Выполнен синтез условно-оптимального управления основным объектом АТК - реакторным блоком.
В пятой главе решена задача построения математических моделей, предназначенных для диагностики и управления реакторным блоком производства по показателям качества технического углерода. С целью их получения проанализированы существующие представления о механизме и кинетике пиролиза углеводородов и углеродообразования в газовой фазе. Отмечена несогласованность представлений исследователей о характере стадий, предшествующих появлению углеродных частиц.
Разработаны модели кинетики термоокислительного пиролиза и углеродообразования.
В шестой главе определены возможности управления реакторным процессом с учетом варьирования качества сырьевых смесей. Установлены корреляционные связи между различными физико-химическими показателями углеводородного сырья. Выполнена параметризация элементного состава и распределений групповых компонентов сырьевых смесей, а также констант кинетических моделей реакторного процесса по измеряемым в промышленных условиях показателям, чем кардинально снижается размерность многомодельной системы описания реакторного блока производства. Выявлены возможности и методы управления групповым составом сырья на стадиях, предшествующих началу термоокислительного пиролиза.
