Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ особенностей управления производством ацетилена, как источником экологически опасных отходов 8
1.1 Характеристика отделения пиролиза в производстве ацетилена 8
1.2 Характеристика отделения декарбонизации 18
1.3 Управление нелинейными технологическими объектами 25
1.4 Экстремальное регулирование 30
1.5 Применение аппарата нечёткой логики 40
Глава 2. Нечёткое экстремальное регулирование реактора пиролиза 49
2.1 Стратегия управления реактором пиролиза производства ацетилена 49
2.2 Синтез нечёткого экстремального регулятора 57
2.3 Управление реактором пиролиза с учётом экологии производства ацетилена 70
2.4 Особенности экстремального управления инерционным объектом 77
2.5 Моделирование системы экстремального регулирования реактором пиролиза 83
Глава 3. Нечёткое регулирование подогревателем газов отделения пиролиза 96
3.1 Методика синтеза нечёткого регулятора по заданным критериям управления 96
3.2 Расчёт параметров ФП через форму статической характеристики HP 107
3.3 Синтез нечёткого ПИ-регулятора по критерию заданных показателей качества нелинейной АСР 115
3.4 Синтез нечёткого ПИ-регулятора по критерию безопасности управления тепловым объектом 127
Глава 4. Реализация нечёткого экстремального управления реактором пиролиза производства ацетилена 138
4.1 Автоматизированная система управления отделением пиролиза 138
4.2 Реализация нечёткого экстремального регулятора наПЛК 142
4.3 Исследование работы НЭР в АСУ отделением пиролиза 154
Заключение 159
Список использованных источников 161
Приложение
- Характеристика отделения декарбонизации
- Управление реактором пиролиза с учётом экологии производства ацетилена
- Синтез нечёткого ПИ-регулятора по критерию заданных показателей качества нелинейной АСР
- Реализация нечёткого экстремального регулятора наПЛК
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с неблагоприятной экологической обстановкой в городах с большим сосредоточением промышленных химических предприятий, большое внимание уделяется идентификации источников загрязнений и разработке систем управления этими источниками. В этом плане одним из наиболее перспективных путей является создание систем управления производством, которые будут учитывать не только качество и количество получаемого продукта, но и уменьшение или качественное изменение отходов данного производства. Существующие в настоящее время системы управления технологическим процессом всё чаще используют в общем числе критериев - экологические, связанные с количеством и качеством образующихся отходов. Из-за специфики этих критериев и особенностей реального технологического процесса приходится использовать данные экспертов, субъективизм которых должен быть многократно проверен и оценен. В связи с этим актуальной является задача синтеза новых, более эффективных систем управления с привлечением экспертных оценок и потенциала современных технических средств, позволяющих уменьшить количество выбросов и сбросов и увеличить выход полезного продукта. Существующие в настоящее время системы управления технологическими процессами, реализованные на промышленных контроллерах и SCADA-системах позволяют поддерживать на достаточно высоком уровне показатели качества регулирования. Большие технические возможности и программные ресурсы современных контроллеров делают возможным реализацию алгоритмов, основанных на новых математических аппаратах. Применение этих средств автоматизации для управления сложными объектами, такими, как экстремальные или нелинейные объекты управления, наряду с использованием качественной информации от экспертов технологического процесса позволяет говорить о возможности иного подхода к экологии производства. Использование качественной оценки образующихся отходов для формирования стратегии управления технологическим процессом наряду с количественными данными, поступающими в систему управления является перспективным способом формирования эколого-экономического критерия. Применение математических аппаратов, работающих с такой информацией (например аппарата нечёткой логики) должно являться направлением, по которому следует выстраивать общую концепцию разрабатываемой системы управления. Вместе с тем, в настоящее время фактическое наличие технических средств на объектах вовсе не гарантирует использование всех их ресурсов для решения сложных задач автоматизации. Недостаточно внимания уделяется комплексному критерию, лежащему на стыке экологии и экономики. Поэтому, проблема создания систем регулирования, обеспечивающих оптимальное управление производством
по экономическому и экологическому критериям стоит достаточно остро. Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» и «Областной целевой программе оздоровления экологической обстановки и охраны здоровья населения Тульской области».
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы управления производством ацетилена, позволяющей реализовать максимальный выход продукта с одновременным уменьшением количества отходов производства.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
Исследованы источники отходов и их виды на производстве с целью выявления технологических параметров, влияющих на их количество и качественные показатели;
Исследована существующая система управления и выявлены её недостатки в отношении регулирования количества продукта и отходов;
Определены существующие методы уменьшения отходов и выявлены причины, не позволяющие достигнуть поставленной цели известными методами;
Разработана система управления производством ацетилена, позволяющая вести технологический процесс по эколого-экономическому критерию;
Создана методика синтеза и настройки элементов системы управления производством ацетилена на основе аппарата нечёткой логики;
Работа апробирована на современных СВТ;
Система управления, разработанная на современных ТСА реализована и внедрена в технологический процесс.
Методы исследования. При решении задачи разработки системы управления производством ацетилена применялись методы: системного анализа, экстремального регулирования, теории автоматического управления, теории нечётких множеств, методы оптимизации.
Научная новизна работы.
Предложен новый подход к синтезу нечёткого регулятора, базирующийся на стратегии управления в виде линий управления;
Впервые разработан нечёткий экстремальный регулятор, обеспечивающий различные стратегии поиска экстремума. Регулятор способен эффективно работать на инерционных объектах. Кроме того, он обеспечивает смещение рабочей точки объекта на заданное расстояние от экстремума;
Разработана методика синтеза нечёткого экстремального регулятора исходя из необходимой стратегии управления, задаваемой графически в виде линии управления;
Предложена структура и методика синтеза нечёткого ПИ-регулятора, обеспечивающего заданное качество регулирования на нелинейных объектах;
Предложена структура и методика синтеза нечёткого ПИ-регулятора, обеспечивающего различные показатели качества на линейном объекте, в зависимости от знака ошибки рассогласования, реализуя таким образом различную стратегию управления тепловым объектом;
Практическая ценность работы. На основе приведённой методики разработана система управления отделением пиролиза производства ацетилена ОАО «НАК «Азот». Разработанное программное и алгоритмическое обеспечение, реализующее нечёткий экстремальный регулятор и нечёткий ПИ-регулятор, методики синтеза и настройки этих регуляторов, а также созданные программы для моделирования системы экстремального регулирования и программы поиска параметров нечёткого регулятора представляют теоретическое и практическое значение. Они могут быть использованы как для реализации на промышленных установках, так и для применения в учебном процессе подготовки специалистов по автоматизации промышленных производств.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов РХТУ им. Д.И.Менделеева (Новомосковск, 2002, 2004, 2005 г.г.), Международной научной конференции ММТТ-17 (г. Кострома, 2004 г.), Международной научной конференции ММТТ-18 (г. Казань, 2005 г.), II Международном студенческом форуме (г. Белгород, 2004 г.), XXV Научной конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ (Новомосковск, 2006 г.), Международной научной конференции ММТТ-19 (г. Воронеж, 2006 г.).
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены в производство ацетилена ОАО Новомосковского акционерного общества «Азот», о чём подписан соответствующий акт.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, 2 в журнале, рекомендованном ВАК, а также получено решение о выдаче патента на изобретение, заявка №2005118644/09.
Объём работы. Диссертация изложена на 151 страницах и состоит из введения, четырёх глав, выводов и приложений. Работа содержит 73 рисунка и 7 таблиц. Список используемой литературы включает 125 наименований.
Характеристика отделения декарбонизации
Отделение очистки работает под давлением 0,8 МПа, что позволяет уменьшить размеры аппаратов при значительных расходах газов. Оно осуществляет две основные функции: декарбонизацию (рис. 1.5) и разделение газов пиролиза на ацетилен и синтез-газ (водород, угарный газ и метан). Отделение разделения и концентрирования ацетилена работает по принципу избирательного поглощения ацетилена жидким аммиаком. При нормальном технологическом режиме оно является замкнутым, экологически чистым и поэтому дальше рассматриваться не будет.
Газ пиролиза проходит последовательно два аппарата (С-101 и С-105), где в противотоке на насадке из колец Рашига происходит его «отмывка» от углекислого газа. В первой колонне концентрация С02 уменьшается с 4 % до 0,2 % путём его поглощения слабым аммиачно-карбонатным раствором (АКР). Во второй колонне происходит орошение газов пиролиза крепким раствором аммиака в воде (верх колонны) и АКР (с середины до низа). Пройдя брызгоотде-литель (В-122, рис. 1.5) газы пиролиза поступают на разделение на синтез-газ и ацетилен. Для регенерации АКР служит колонна С-115 (рис. 1.6). Отработанный раствор карбоната аммония регенерируют путём его постепенного нагрева паром по высоте колонны. Раствор стекает по тарелкам вниз колонны с постепенным увеличением его температуры. На каждой тарелке идёт частичное разложение АКР на углекислый газ и аммиак. Одновременно с этим, выделяющийся аммиак поглощается холодной водой, подающейся сверху колонны. Таким образом, концентрация свободного аммиака (растворённого в воде) в середине колонны возрастает. Для отбора регенерированного раствора в этом месте установлена специальная глухая тарелка, с которой раствор поступает в сборник В-112. Оставшийся АКР, стекающий вниз колонны, практически полностью теряет аммиак и СОг- Окончательная его дегазация осуществляется в кубе колонны, куда подаётся острый пар. Часть кубового остатка с регулируемым расходом направляется на очистные сооружения предприятия. Выделившийся газообразный С02 сбрасывается на факел или в атмосферу. Замер концентрации NH-з в стоках осуществляется 2 раза в смену лабораторным методом, что не позволяет контролировать содержание аммиака в реальном времени. Превышение концентрации аммиака в кубовой жидкости может иметь залповый характер. Это не удаётся своевременно обнаружить и локализовать. Данные ситуации часто обусловлены следующей причиной. При выпаривании аммиака из кубовой жидкости небольшое увеличение количества пара приводит к временному уменьшению концентрации аммиака в кубе, что желательно для технологического процесса. Однако возрастающее давление и скоростной напор пара вверх по колонне, вызывает застой АКР на тарелках и повышение сопротивления колонны по высоте. Результатом этого является постепенное, незаметное по приборам контроля, накопление регенерированного, содержащего аммиак, раствора на тарелках. В конечном итоге равновесие колонны по жидкости на тарелках и давлению скоростного напора пара нарушается Это вызывает почти мгновенное «обрушивание колонны» - слив практически всей жидкости с тарелок в куб колонны. Температура куба резко падает, а объём увеличивается. Концентрация аммиака в кубе значительно возрастает и превышает ПДК. Так как пар подаётся выше верхней границы жидкости, то выпарить аммиак из куба уже не удаётся, что приводит к необходимости (для продолжения технологического процесса) слива всей жидкости для последующего выпаривания из куба колонны в буферную ёмкость или в промышленную канализацию. В результате этого в стоках происходит залповое повышение концентрации аммиака, а также увеличение количества сточных вод [7].
Таким образом, отходом этой стадии являются стоки, содержащие аммиак. Его вред как загрязнителя в данном контексте рассматривается при попадании аммиака в воду канализации предприятия. При небольших концентрациях (менее 200 мг/л NH3) загрязнённая вода сбрасывается на станцию биологической очистки, где в активном иле происходит улавливание аммиака. При больших концентрациях (около 500 мг/л NH3) производство ацетилена вынуждено сбрасывать стоки в промышленную канализацию, откуда они попадают в Шатское водохранилище. Данное нарушение обусловлено следующими причинами: стоки, содержащие аммиак, являются отходами производства, и образуются в количестве 30 т/час при работе технологического оборудования. Сброс же стоков с концентрацией свыше 200 мг/л на биологическую очистку приводит к более серьёзными последствиями: гибели азотопреобразующих бактерий активного ила и вывода из строя на длительное время отделения биохимической очистки сточных вод всего предприятия [61]. Следствием этого станет остановка многих производств и цехов и попадание в водохранилище большого количества неочищенных сточных вод [86]. Анализ сбросов цеха ацетилена представлен в таблице 1.2 и нарис. 1.7.
Управление реактором пиролиза с учётом экологии производства ацетилена
Улучшение экологии производства ацетилена [60, 64] связано прежде всего с повышением качества извлечения сажи из оборотной воды цикла охлаждения реактора и закалки газов пиролиза. Как указывалось в главе 1, это зависит от физических характеристик частиц сажи, в частности, их дисперсности. Статическая характеристика реактора, показанная на рис. 1.3 совместно с зависимостями количества всплывающей и тонущей сажи, позволяет сделать вывод, что поддержание рабочей точки ТОУ с некоторым смещением от экстремума (в сторону уменьшения соотношения) должно привести к практически полному исчезновению в оборотной воде тонущей сажи. А это, в свою очередь должно облегчить работу сажеочистных устройств. Таким образом степень очистки воды значительно улучшится, что предотвратит попадание сажи вместе с частью сбрасываемой воды в пруд-отстойник предприятия, и далее в р. Шат.
В отличие от дифференциальных систем экстремального управления, предлагаемый нечёткий экстремальный регулятор позволяет определить положение рабочей точки ТОУ с любой заданной стороны от точки экстремума. При этом поиск установленной точки может начинаться с любых начальных значений [21].
Реализация нечёткого экстремального регулятора, поддерживающего рабочую точку ТОУ на некотором, заданном удалении от экстремума в целом аналогична методике рассмотренной в предыдущем разделе. Основной принцип, позволяющий осуществить остановку поиска экстремума не достигая его (или перейдя экстремум, если движение поиска начато с другой стороны) заключается в специальной форме статической характеристики регулятора. При этом скорость поиска экстремума (приращение соотношения) становится равной нулю при определённом, не равном нулю, значении производной f () = dC/dS . Так как при достижении рабочей точки управляющее воздействие НЭР перестаёт меняться, в данном разделе рассмотрим более подробно синтез центральной части статической характеристики регулятора.
При исследовании модели системы с НЭР, имеющим «плато»-образную статическую характеристику, было отмечено, что увеличение угла наклона центральной, близкой к точке (0, 0) части характеристики, в системе возникали «срывы» поиска экстремума (рис. 2.8, в). Это происходило уже после того, как экстремум был найден. В программе, созданной в среде Delphi на языке PASCAL, использующей программное обеспечение автора (её описанию посвящен отдельный раздел) также присутствовал данный эффект (рис. 2.8, а, б), что доказывает правильность функционирования математического аппарата. Срывы поиска, которые обусловлены вычитанием близких чисел, невозможно устранить применением в алгоритмах программы переменных высокой точности, они сохранялись даже при использовании в вычислениях формата Extended, использующего диапазон: 3,6 Ю"4931 ... 1,1 Ю4932.Для устранения срывов поиска предлагается следующее решение. Очень небольшое смещение ФП, определяющей выход НЭР в окрестностях экстремума (центральная ФП выхода) приводит к такому же небольшому смещению статической характеристики НЭР. В результате этого приращение AS не равно в точности нулю при нулевом значении dC/dS. Это приводит к уходу рабочей точки на некоторое расстояние от истинного экстремума. Так, если центральная ФП выхода имеет максимум на оси лингвистической переменной «Приращение AS» равный в точности нулю, то возникает срыв поиска экстремума (рис. 2.9, в). До возникновения срыва, график переходного процесса совпадал с «нормальным» (рис. 2.9, б). Однако при смещении максимума этой функции на величину - Ы0 , НЭР точно находит экстремум, и срывы поиска исчезают (рис. 2.9, б). Для шкалы переменной - 0,01...+ 0,01 по приращению соотношения указанное смещение центральной ФП составляет 0,0000005 % , что очень мало, но достаточно для устранения эффекта вычитания близких чисел [9].
Если смещение центральной ФП составляет - 1 10 3 (это 0,05 % шкалы), то наблюдается заметная «статическая» ошибка поиска экстремума (рис. 2.9, а).
В данном случае, около точки экстремума шаг регулятора ещё «далёк» от нулевого и регулятор «перепрыгивает» через экстремум, останавливая поиск на расстоянии А от экстремума. Этот эффект проявляется при приближении к экстремуму со стороны, противоположной смещению центральной ФП. В противоположном случае, перехода через экстремум не будет, рабочая точка просто не дойдёт до него на ту же величину Д . Полученную статическую ошибку предлагается использовать для поддержания рабочей точки ТОУ на заданном удалении от экстремума [14].
В связи с тем, что это реализуется смещением центральной функции принадлежности выхода НЭР, поиск и поддержание смещённого экстремума будет осуществляться правильно независимо от того, с какой «стороны» он был начат. На рис. 2.10 показаны графики поиска экстремума НЭР во времени и в виде статической характеристики объекта. Процесс моделировался в приложении Simulink пакета Matlab. На графике (рис. 2.10, а) центральная ФП выхода НЭР была смещена на-140 (влево), начальное значение соотношения 0,520. На графике (рис. 2.10, б) при том же по модулю смещении начальное значение соотношения составляло 0,480. В обоих случаях смещённый экстремум (показан знаком « + ») находился правильно. Если смещение ФП устанавливалось близким к нулю (-Ы0 ), то найденное значение совпадало с истинным экстремумом (рис. 2.10, в). Знак смещения ФП задаёт направление желаемого смещения рабочей точки объекта и совпадает с ним.
Синтез нечёткого ПИ-регулятора по критерию заданных показателей качества нелинейной АСР
Стратегию управления нелинейным ТОУ зададим следующим образом. Требуется реализовать САР с объектом, обладающим известной нелинейной стационарной статической характеристикой и известными параметрами инерционности, показатели качества которой определяются видом переходного процесса. Выберем в качестве заданного один из трёх типовых переходных процессов: граничный апериодический; с 20 % перерегулированием; с минимальной квадратичной площадью отклонения. Так как подогреватель природного газа и кислорода допускает некоторую величину перерегулирования, будем считать, что процесс с 20 % перерегулированием будет оптимальным как по максимальной динамической ошибке регулирования, так и по быстродействию [48]. Синтезируемая система должна обеспечить эти показатели качества во всём рабочем диапазоне возмущений по заданию. Среди возмущающих воздействий одним из наиболее важных является возмущение по нагрузке [51]. Место приложения данного возмущения, как правило отличается от места приложения к ТОУ управляющего воздействия. Временная характеристика канала изменения задания и нагрузки будет различной в связи с наличием в одном из них звена интегрирования. Однако, принципиально на синтезе нечёткого регулятора это не сказывается, поэтому далее мы будем рассматривать только возмущения по заданию. Анализ модели АСР будем проводить в среде MATLAB используя приложение Simulink. Для синтеза нечёткого регулятора воспользуемся приложением Fuzzy Logic.
Создадим модель ТОУ используя последовательно соединённые звенья, определяющие динамику объекта (звено чистого запаздывания, два апериодических звена первого порядка) и его статику (нелинейный функционал). Передаточная характеристика может быть записана в виде:
При этом, коэффициент усиления объекта - переменный, зависящий от величины управляющего воздействия и (14). На рис. 3.11 показаны статическая (рис. 3.11-1) и динамическая (рис. 3.11-2) характеристики модели ТОУ. Для исследования работы системы с нечётким регулятором проведём её сравнение с АСР, содержащей классический регулятор. В качестве заданного выберем переходный процесс с 20 % перерегулированием [94, 96]. Для расчёта настроечных коэффициентов классического регулятора используем метод Копеловича, для этого аппроксимируем динамическую характеристику ТОУ апериодическим звеном первого порядка с запаздыванием: коб рассчитаем для двух участков статической характеристики, для этого выполним кусочно-линейную аппроксимацию. Пользуясь методом расчёта настроек по номограммам [52], учитывая, что коэффициент усиления объекта переменный, получим киТИ классического ПИ-регулятора (таблица 3.2).
Таким образом имея две пары настроечных коэффициентов, можно создать модели АСР с классическими ПИ-регуляторами, в одной из которых процесс с 20 % перерегулированием обеспечивается в окрестностях точки, находящейся в начале рабочего диапазона ТОУ, а в другой - находящейся в конце рабочего диапазона. Такие системы можно реализовать, как адаптивные или АСР с переменной структурой [49]. Достоинства и недостатки таких систем были расмотрены ранее. Нами предлагается иное решение - синтез нечёткой АСР, например, для реализации нечёткого ПИ-регулятора предлагается структурная схема, показанная на рис. 3.12 [16]. Нечёткий регулятор содержит канал
Реализация нечёткого экстремального регулятора наПЛК
Перед непосредственной реализацией системы нечёткого экстремального регулирования на описанном в предыдущем разделе контроллере, рассмотрим структурную схему существующих контуров регулирования и интегрированный в них ЫЭР (рис. 4.1). Стабилизация количества расхода метана, являющегося нагрузкой реактора, осуществляется контуром регулирования, реализующем ПИ-закон управления. Блоки, показанные пунктиром, являются полями ввода или изменяемыми оператором режимами. Меняя степень открытия исполнительного механизма или задание на регулятор расхода в соответствии с выбранным режимом («Автоматический» или «Ручной») изменяется нагрузка реактора пиролиза. Контур стабилизации кислорода является контуром с регулятором соотношения. Его отличие от предыдущего состоит в том, что задание на регулятор расхода кислорода не задаётся непосредственно человеком (в автоматическом режиме), а рассчитывается по введённому соотношению S в зависимости от расхода метана. Автоматический режим контура может быть включен только если контур стабилизации нагрузки находится также в автоматическом режиме. Это реализовано программно через специальную логическую схему управления.
Интеграция ЫЭР в описанные контуры осуществляется путём записи нового, рассчитанного экстремальным регулятором соотношения в поле, значение которого в обычном режиме меняет оператор. Входными параметрами НЭР являются значения соотношения и концентрации ацетилена, получаемые от системы реального времени (СРВ). Интервалы времени t и т, по которым экстремальный регулятор определяет моменты расчёта производных и управляющего воздействия могут изменяться оператором при настройке регулятора на инерционность ТОУ. Настроечные коэффициенты нечёткого регулятора (коэффициенты ФП, диапазоны входа и выхода) также доступны для изменения в режиме отладки.
При переводе любого из контуров стабилизации расхода газов в «Ручной» режим, НЭР автоматически переводится также в режим «Ручной», в котором осуществляется расчёт управляющего воздействия без его записи в поле ввода соотношения.
Программа, реализующая алгоритм нечёткого экстремального регулирования в виде блока скомпилированного кода занесена в общий программный модуль №3 контроллера в связи с наличием в нём свободной памяти. На рис. 4.2 схематически показано расположение подпрограммы НЭР в общей программе контроллера и её структура. В связи с тем, что весь поток команд выполняется последовательно в алгоритм НЭР встроены некоторые функции диагностики и отработки исключительных ситуаций (обработчики ошибок). Подпрограмма НЭР состоит из нескольких функционально взаимосвязанных частей: Инициализация переменных Экстремальное регулирования Нечёткий регулятор Управление режимом регулятора и сброс ошибок Рассмотрим их подробнее.
В блоке инициализации (рис.4.3) последовательно осуществляются следующие операции: 1. Установка начальных значений переменных - диапазоны входа и выхода регулятора, параметры ФП, количество интервалов разбиения фигуры при де-фазификации, временные интервалы расчёта производных и управляющего воздействия; 2. Заполнение значений переменных по концентрации и соотношению из системы реального времени; 3. Сброс значений сумматоров и промежуточных переменных, сброс кода ошибки и установка флага (FFC), запрещающего повторную инициализацию при последующих циклах сканирования основной программы; 4. Вычисление предварительных внутренних значений. 3. При выполнении предыдущего условия, а также при истечении интервала времени выдачи управляющего воздействия Ат (рис.4.5, б, точка D), и если величина производной dC/dt вошла в трубку допуска (рис.4.5, б, точка Е) выполняется расчёт конечных разностей (рис.4.5, а, точка В) по концентрации АС и соотношению AS на интервале т, после чего промежуточные переменные подготавливаются к следующему циклу. Конечная разность по соотношению анализируется на равенство нулю (для исключения деления на «О»), и в случае нормального расчёта вызывается подпрограмма нечёткого регулятора; 4. После получения значения AS, рассчитывается значение соотношения S, как предыдущее (5") плюс приращение AS. Значения счётчиков увеличиваются на единицу.
