Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующих информационно-измерительных систем и методов управления процессом приготовления товарных бензинов . . 22
1.1 Товарный бензин как объект контроля, анализ показателей качества 22
1.2 ИИС для контроля и управления промышленными станциями смешения нефтепродуктов 33
1.2.1 Информационно-измерительные системы в структуре многопараметрической адаптивной оптимальной системы управления 46
1.2.2 Обзор методов построения информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ 51
1.3 Обзор методов оценивания параметров и управления в условиях нестохастически заданной неопределенности 56
Основные выводы и результаты главы 1 62
Глава 2 Исследование электрофизических характеристик углеводородных жидкостей и применение их в иис контроля качества топлив 63
2.1 Анализ акустических характеристик жидких углеводородных сред 63
2.2 Анализ электродинамических характеристик углеводородных топлив 78
2.3 Физические основы оптико-акустического метода контроля качества углеводородных топлив 87
Основные выводы и результаты главы 2 95
Глава 3 Математическое моделирование октанового числа товарного бензина в процессе смешения бензиновых компонентов 97
3.1 Основные положения 97
3.2 Математическое моделирование термодинамики растворов 99
3.3 Математическое моделирование зависимости "октановое число-состав товарного бензина" 107
Основные выводы и результаты главы 3 111
Глава 4 Принципы построения иииус для оценки октанового числа и методы идентификации товарных бензинов 112
4.1 Структура и систематизация ИИиУС для управления компаундированием товарных бензинов 112
4.2 ИИС для определения октанового числа товарного бензина на базе реакторного октанометра 113
4.2.1 Метод оценки детонационной стойкости по РХПО 113
4.2.2 Реакторный октанометр на основе реакции холоднопламенного окисления бензинов «Ока-1» 122
4.3 ИИС для оценки октанового числа на базе диэлектрического октанометра АС-2004 132
4.4 ИИС для оценки октанового числа на базе спектрометрического октанометра 137
4.5 ИИС для оценки октанового числа на базе лазерного оптико-акустического октанометра 140
4.6 Метод определения октанового числа бензинов на основе регрессионного анализа спектров поглощения в лазерном оптико-акустическом октанометре 146
4.7 Постановка задачи и поиск набора спектральных каналов измерения для ЛОА-октанометра 153
4.8 Этапы работы лазерного оптико-акустического октанометра в информационной системе для оценки долей компонент в бензиновой смеси 173
4.9 Идентификация углеводородных топлив лазерным оптико-акустическим методом 179
4.10 Полиметрический метод идентификации товарных бензинов 185
Основные выводы и результаты главы 4 241
Глава 5. Информационно-измерительная и управляющая система идентификации октановых чисел для адаптивной системы смешения товарного бензина 243
5.1. Постановка задачи оптимизации и метод решения 243
5.2. Алгоритм идентификации (оценки октановых чисел компонент) параметров математической модели 246
5.3 Метод обеспечения сходимости алгоритма идентификации при ограничениях на вектор входных переменных 254
Основные выводы и результаты главы 5 267
Глава 6. Техническая реализация иис для адаптивной оптимизации процесса компаундирования (смешения) нефтепродцуктов 268
6.1. Техническое обеспечение и разработка комплекса технических средств ИИС для управления процессом смешения нефтепродуктов 268
6.2. Основные схемные решения ИИС для смешения бензинов 279
расхода компонентов 280
6.3. ИИС учета и управления распределением и хранением товарных бензинов 288
6.4. Программное обеспечение ИИС 290
6.4.1. Программы контроля, тестирования и оценки оптимального управляющего воздействия на расход компонентов для смешения бензинов в потоке 290
6.4.2. Программы оценки октановых чисел смешиваемых компонент и оптимальных управляющих уставок процесса смешения бензинов в потоке 298
6.4.3 Исследование динамических характеристик адаптивной системы управления и сравнительный анализ производительности станции смешения при использовании различных регуляторов 300
6.5 Диагностика неисправности технических средств ИИС и методы защиты от неисправностей 308
Основные выводы и результаты главы 6 315
Выводы и результаты диссертационной работы 316
Литература 321
- Обзор методов построения информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ
- Физические основы оптико-акустического метода контроля качества углеводородных топлив
- ИИС для оценки октанового числа на базе диэлектрического октанометра АС-2004
- Программы контроля, тестирования и оценки оптимального управляющего воздействия на расход компонентов для смешения бензинов в потоке
Обзор методов построения информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ
Нетрудно заметить, что системы первого уровня обязательно присутствуют в составе информационно-измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ либо в качестве автономных измерительных систем, либо в качестве измерительных подсистем систем второго уровня или управляющих информационно-измерительных систем
1. Информационно-измерительные системы физико-химического состава и свойств веществ первого уровня имеют количество входов, равное числу точек измерений, т. е. числу мест пространства, где в момент проведения измерений находятся вещества, измерительную информацию о составе и (или) свойствах которых получают системы.
Названные вещества могут являться разноименными (например, атмосферный воздух, природная вода, почва) или одноименными (в частности, воздух рабочей зоны в нескольких производственных помещениях). По агрегатному состоянию исследуемые вещества могут представлять собой газообразную, жидкую или другую субстанцию.
В общем случае системы первого уровня являются измерительными системами физико-химического состава и свойств разноименных веществ.
2. Измерительные системы физико-химического состава и свойств разноименных веществ объединяют в себе измерительные системы физико-химического состава и свойств каждого вещества. Количество входов систем разноименных веществ равно сумме числа входов этих систем.
3. Измерительные системы физико-химического состава и свойств веществ в общем случае могут быть многоточечными (количество входов равно числу точек измерений).
Если в многоточечных системах не используется переключение точек измерений они являются объединением одноточечных измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ. В данном случае количество одноточечных систем совпадает с числом точек измерений.
При применении переключения многоточечные системы содержат подсистему переключения точек и одну одноточечную систему.
Отметим, что использование переключения точек измерений возможно только при условии, что время изменения информативных параметров исследуемого вещества в каждой точке значительно превышает время выполнения измерений во всех переключаемых точках.
Если данное условие не выполняется, многоточечная система с переключением точек измерений должна быть заменена несколькими многоточечными системами с переключением меньшего количества точек или многоточечной системой, являющейся объединением одноточечных систем.
3. Комбинированные измерительные системы физико-химического состава и свойств веществ. В общем случае получение измерительной информации может осуществляться на основе прямых, косвенных, совокупных и совместных измерений [49].
Анализ методик выполнения измерений показывает, что для определения физико-химического состава и свойств веществ методики прямых измерений получили наибольшее распространение. Методики косвенных измерений являются менее распространенными, но при отсутствии методик прямых или несоответствии их предъявляемым требованиям имеют особую ценность. Методики совокупных измерений получили ограниченное распространение, а методики совместных измерений не применяются.
В соответствии со сказанным, одноточечные измерительные системы физико-химического состава и свойств веществ могут получать измерительную информацию как при совместном проведении прямых, косвенных и совокупных измерений (группа комбинированных систем), так и при выполнении только прямых, косвенных или совокупных измерений (группа базовых систем).
Естественно, что комбинированные измерительные системы физико-химического состава и свойств веществ представляют собой объединения базовых систем.
4.Базовые измерительные системы физико-химического состава и свойств веществ делятся на три подгруппы — системы на основе прямых измерений, системы на основе косвенных измерений и системы на основе совокупных измерений.
Основными функциональными частями базовых измерительных систем являются подсистемы. Подсистемы объединяют в себе технические средства, предназначенные для выполнения операций и правил, регламентируемых методиками выполнения измерений.
Объединение подсистем, предназначенных для получения измерительной информации об информативном параметре исследуемого вещества, принято называть измерительным каналом. Выделяют «простые» и «сложные» измерительные каналы. Под «простым» измерительным каналом понимают объединение подсистем, реализующих прямые измерения. «Сложный» канал представляет собой совокупность подсистем, осуществляющих косвенные и совокупные измерения [49].
Косвенные измерения выполняются в два этапа:
получение первичной измерительной информации при проведении прямых измерений;
получение измерительной информации путем осуществления вычислений по известной зависимости на основе первичной измерительной информации.
Подобно косвенным измерениям совокупные измерения также проводятся в два этапа:
получение первичной измерительной информации при выполнении прямых измерений;
получение измерительной информации при решении системы уравнений на основе первичной измерительной информации [49].
Согласно сказанному, структурные схемы базовых измерительных систем физико-химического состава и свойств веществ на основе прямых, косвенных и совокупных измерений соответствуют схемам, приведенным на рис. 1.5.
Физические основы оптико-акустического метода контроля качества углеводородных топлив
Основными показателями качества бензинов является фракционный состав, давление насыщенных паров, плотность и детонационная стойкость. Главным показателем качества бензина является детонационная стойкость. Количественным показателем детонационной стойкости является октановое число. Для определения октанового числа бензинов в последнее десятилетие распространение получил метод ближней инфракрасной спектроскопии. Этот метод позволяет определять концентрации искомых компонентов, а также комплексные характеристики смеси углеводородов, в частности октановое число. В основе работы любого спектрального анализатора лежит процесс разложения светового излучения по длинам волн, способ решения этой задачи определяет устройство и схемотехника прибора. Наиболее перспективное направление имеет оптико-акустический метод. Оптико-акустический эффект лежит в основе метода оптико-акустической спектроскопии и по данному методу ведутся большие работы по разработке приборов контроля количественного и качественного анализа газовых смесей [46, 168].
С позиций квантово-механической теории [139] поглощение излучения представляет собой переход энергии излучения в энергию молекулы, причем при поглощении одного фотона с энергией hv энергия молекулы возрастает с некоторого исходного значения Е1 до некоторого конечного Е2.
Таким образом, первичным эффектом в среде под действием резонансного лазерного излучения является заселение верхних уровней резонансного перехода за счет поглощения фотонов с энергией:
Вторичным эффектом в среде является релаксация возбуждения, как излучательная, так и безизлучательная. Излучательная релаксация приводит к флуоресценции среды, безизлучательная – к нагреву среды или стенок измерительной ячейки.
Методы лазерной спектроскопии легко классифицировать по эффектам, возникающим при взаимодействии лазерного излучения с анализируемой средой.
Наиболее широко используют три основные группы методов лазерной спектроскопии [46, 168]; абсорбционные, излучательные, калориметрические.
К калориметрическим методам относятся оптико-акустический, оптико-термический, оптико-рефракционный и другие методы [126]. Калориметрические методы основаны на последовательности достаточно сложных процессов, сопровождающих взаимодействие лазерного излучения с исследуемой средой.
Наибольшее применение среди калориметрических методов вследствие своей простоты и высокой чувствительности получил оптико-акустический метод [46, 168]
Оптико-акустический эффект лежит в основе метода оптико-акустической спектроскопии, которая начала развиваться на основе некогерентных источников излучения еще до изобретения лазеров и применяется для количественного и качественного анализа газовых смесей. С позиций квантово-механической теории согласно закону сохранения энергии (2.25) данный эффект будет проявляться и в углеводородных средах [27, 35].
Когда оптическое излучение резонансно колебательно-вращательному переходу в исследуемом молекулярном веществе, процесс преобразования энергии излучения в электрический сигнал состоит из следующих последовательных этапов: возбуждение молекул вещества; безизлучательная релаксация возбужденных молекул; нагрев вещества; генерация импульса давления; вынужденные колебания мембраны микрофона; генерация электрического сигнала.
Первичным процессом, определяющим преобразованием энергии лазерного излучения в электрический сигнал, является изменение населенности резонансных (с лазерным излучением) энергетических уровней в молекулах (электронных, колебательно-вращательных, вращательных – в зависимости от области спектра).
Колебательно-возбужденные молекулы релаксируют со всех вращательных уровней в основное состояние со скоростью, определяемой наличием трех каналов релаксации – излучательного (радиационная релаксация с вероятностью wR), безизлучательного за счет столкновений в объеме (гомогенная релаксация – вращательная и колебательно-поступательная с вероятностями соответственно wr и wvT) и безизлучательного за счет релаксации возбуждения на стенке оптико-акустической ячейки (гетерогенная релаксация wd). Лишь часть колебательно-возбужденных молекул, определяемая вероятностью колебательно-вращательной релаксации, релаксирует с выделением тепла в объеме углеводородной среды, что вызывает генерацию импульса давления в ячейке оптико-акустического детектора (ОА-детектора). Точное решение задачи генерации акустического сигнала описывается системой двух уравнений – для отклонений температуры и давления в ячейке от их равновесных значений [46].
Импульс давления в ячейке ОА-детектора приводит к изменению положения мембраны микрофона и затем к генерации электрического сигнала, снимаемого с ОА-детектора
В основе измерения октанового числа бензинов лежит поглощение ИК-излучения в области 660 – 2600 нм в среде углеводородного топлива. Хорошая корреляция между поглощением и октановым числом имеется в области 896 нм, 932 нм и 1164 нм для исследовательского октанового числа и, 930 нм, 940 и 1012 нм для моторного октанового числа [247].
По данным, приведенным в [185] рассчитаны длины волн полос поглощения, определенных по спектрам углеводородов в средней инфракрасной области для основных углеводородных фракций, входящих в состав бензина. Среди колебательных переходов молекулы наиболее вероятными являются переходы с основного уровня на фундаментальные. Поэтому поглощение излучения на фундаментальных частотах имеет значительную интенсивность, и для получения спектров в средней ИК области используют пробы с длинной кюветы (ячейки) порядка 0,01 – 0,1 мм. Интенсивность поглощения в обертонных и комбинационных полосах значительно меньше, причем быстро падает с ростом волнового числа, поэтому для спектрального анализа бензинов в ближней ИК - области необходимо применять кюветы (ячейки) с длинной от 10 до 100мм.
ИИС для оценки октанового числа на базе диэлектрического октанометра АС-2004
Октанометр, принцип работы, которого основан на измерении диэлектрической проницаемости топлива в зависимости от его октанового числа с поправкой на температуру [6, 7, 9, 18, 20, 22, 25]. На данном методе автором в 1997 году разработан октанометр «АС-97», который с небольшой модернизацией корпуса получил название «АС-98», фото на рис.4.12. Рис.4.12- Октанометр «АС – 98»
Данный октанометр прошел метрологическую аттестацию, внесен в Госреестр и было налажено мелкосерийное производство на НТФ «ПРОТОН», г. Самара.
Эксплуатация на НПЗ и в Калининградской теплотехнической лаборатории показала, что октанометр «АС-98» имеет свои достоинства и недостатки. Недостатком является невозможность создания универсальной калибровочной модели для всех типов бензинов. Таким образом, откалиброванный октанометр по эталонным бензинам одного типа, при измерении октанового числа бензина приготовленного из другой нефти или по другим ТУ, покажет результат с большой погрешностью.
Задача измерения октанового числа бензина решается успешно в том случае, если калибровочное множество (набор калибровок с известными значениями октанового числа) принадлежит некоторому определенному классу, характеризующемуся сходством по углеводородному составу.
При анализе незаявленного бензина нельзя определить, к какому классу принадлежит анализируемая проба бензина, и каких-либо априорных количественных оценок для принятия этого решения на настоящий момент не существует. Автором предложен метод идентификации бензинов, на основе которого разработан перспективный октанометр «АС – 2004». В данном октанометре, также используется экспрессный диэлектрический метод с поправкой на температуру и дополнительно реализованы методы идентификации не заявленных бензинов [25]. Схема перспективного октанометра «АС-2004» защищена Патентом РФ №2207557 [22] и способ измерения октанового числа бензинов Патентом РФ №2305283 [25] схема представлена на рис.4.13, а общий вид на рис. 4.14.
В основу разработки положен способ идентификации бензинов принадлежащих к одному классу и определения октанового числа, который позволил повысить точность определения октанового числа бензина, и позволил иметь стационарную калибровочную модель по классам бензинов с автоматическим (по предлагаемому в диссертации алгоритму) выбором октанометром калибровочной модели.
Схема усиления и выпрямления информационного сигнала в октанометре «АС – 2004» выполнена аналогично октанометру «АС – 98». Для реализации метода идентификации бензинов введены новые схемные решения.
Октанометр содержит емкостной датчик 1, выполненный в виде сосуда с коаксиально расположенными цилиндрами, блок 2, в котором реализованы два генератора синусоидальных напряжений с частотами f1=1000Гц, f2=10000Гц и стабильный источник напряжения постоянного тока и, управляемый микроконтроллером, электронный ключ для коммутации Рис. 4.13- Функциональная схема октанометра «АС-2004». выходов генераторов и источника напряжения с входом емкостного датчика. Выход емкостного датчика через терморезистор, служащий в качестве датчика температуры, подключен к входу RC-фильтра 3, выход фильтра подключен к входу усилителя 4, выход которого подключен к блокам выпрямления 7,9, выход блока 9 подключен к входу АЦП 10, выход АЦП подключен к информационному порту микроконтроллера 11, который имеет выход на персональный компьютер 12. В комплексе с емкостным датчиком выполнен поплавковый плотномер, который содержит погружаемый (полностью притопленный) поплавок 13 с мерительной рейкой 14, источник
ИК-излучения 15 и приемная фотодиодная линейка 16, выполненная в коде Грея. Линейка крепится так, чтобы мерительная рейка 14 находилась между источником и приемной фотодиодной линейкой, выход с приемной фотодиодной линейки подключен к информационному порту микроконтроллера. Питание прибора предусмотрено как от сети, так и от аккумулятора. Фотография октанометра «АС – 2004» на аккумуляторном питании без плотномера на рис.4.15.
Работа октанометра «АС – 2004» осуществляется аналогично работе «АС – 98», т.е. измерение октанового числа осуществляется по диэлектрической проницаемости бензинов с корректировкой на температуру. Однако, в связи с тем, что на каждом нефтеперерабатывающем заводе имеются различные рецептуры компаундирования бензинов, то и калибровки нужно осуществлять для каждого типа бензина. Но для того чтобы микроконтроллер сам мог выбрать тип калибровки, он должен уметь идентифицировать незаявленный бензин. Исследования, проведенные автором послужили исходными данными для разработки методов идентификации незаявленных бензинов и разработки новых схемных решений.
Для этого измеряют плотность бензина, активную проводимость бензина в емкостном датчике, соотношение комплексной величины (в мВ) характеризующей электропроводность и диэлектрическую проницаемость образца бензина при различных частотах , и температуру. По данным параметрам проводят идентификацию бензина, и микропроцессор прибора сам определяет калибровочную модель, хранящуюся в памяти.
Величину октанового числа определяют по диэлектрической проницаемости бензина на частоте по выбранной из памяти калибровочной модели. Более подробно о методе идентификации будет рассмотрено ниже.
Программы контроля, тестирования и оценки оптимального управляющего воздействия на расход компонентов для смешения бензинов в потоке
С целью обнаружения неисправности технических средств ИИС (применяют) две группы методов технической диагностики (ТД) [48]:
1. тестовое;
2. функциональное.
Можно выделить три типичные задачи технической диагностики:
1. обнаружение факта неисправности (задача 1);
2. обнаружение причины неисправности, т. е. места и вида дефекта (задача 2);
3. прогнозирование возникновения дефекта (задача 3).
Основным условием для большинства методов технической диагностики являются постулирование конечности числа состояний. Считается, что это множество может быть разбито на два подмножества: S1 — подмножество исправных состояний и S2 — подмножество неисправных состояний. Методы диагностирования основаны на использовании некоторой избыточной информации.
Самый общий принцип диагностики: вводятся некоторые избыточные переменные Y2 = {у2i} и измеряемые переменные Y1 = {y1i}. Эти два подмножества позволяют сформировать некоторые показатели
которые с точностью до равны 0, если состояние объекта признано работоспособным. Существуют соотношения, которые позволяют выбрать число необходимых дополнительных переменных, при которых осуществляется заданная точность диагностики.
Принципы организации технической диагностики.
Диагностика заключается в определении места и причины дефекта.
Существуют два основных подхода:
1) логический: каждому дефекту сопоставляется состояние системы; которое определяется через дискретные переменные U1...Um, характеризующие состояние структурной единицы (СЕ) или элемента объекта диагностирования в терминах "исправно" - "неисправно". Тогда поиск дефекта сводится:
а) к построению логических функций, вычисление которых указывает на причину дефекта,
б) к организации последовательности проверок , I = 1, 2, ..., п исправности структурной единицы;
в) к вычислению значений функций Fj, значения которых определяют наличие и место неисправности.
Функции должны быть ортогональны, т. е. две функции одновременно не могут быть равны единице.
2) графический: методы основаны на построении дерева поиска (рис.6.16), отражающего последовательный, параллельный или комбинированный алгоритм поиска дефекта на основе проверок i = 1, 2,..., п, дающих результат Sj (J = 1, 2, ..., п) оценки состояния структурной единицы или системы по значению их выхода.
Алгоритмы осуществления проверок: а — последовательный; б — параллельный; в — комбинированный
Для разработки алгоритмов диагностики необходимо решить задачи определения:
1) критериев работоспособности; обычно они формулируются на основе так называемых диагностируемых показателей и допустимых граничных значений. В этом случае считается, что нарушения ограничений — признак неисправности;
2) методов диагностирования; наиболее часто используются методы, основанные на оценке реакции объекта на выходное воздействие по динамическим и статическим характеристикам в режиме нормальной эксплуатации (при функциональном диагностировании), либо на оценке реакции на тестовые воздействия.
Напомним, что отказы разделяют на внезапные (это, как правило, элементные или аппаратные отказы) и постепенные (это, как правило, функциональные отказы, определяемые по критериям снижения эффективности работы изделия).
Применительно к системам автоматизации выделяют задачи диагностики внезапных и постепенных (функциональных) отказов:
1) датчиков; 2) исполнительных устройств (клапаны); 3) регуляторов, а также 4) неисправностей ОУ; 5) неадекватности моделей.
Методы и алгоритмы диагностирования и защиты от внезапных отказов.
Основной задачей является диагностика обрывов и коротких замыканий в цепях датчиков и исполнительных устройств.
При использовании аналоговых токовых сигналов 4-20 мА обрыв имеет место, если ток
Для случая обрыва (короткого замыкания) в цепи датчика основным методом защиты от последствий обрыва является "замораживание" выходного сигнала регулятора на значении, предшествующем моменту диагностирования обрыва. Могут применяться также методы аппаратного (элементного) и функционального резервирования, когда используется дублирование датчика или измеряемый параметр оценивается косвенным путем (по модели) соответственно.
Постановка задачи диагностики обрыва и защиты от его последствий может быть в двух основных вариантах: 1) время сброса сигнала при обрыве до уровня менее 20 % в несколько раз меньше, чем величина периода опроса датчика контроллером. Тогда для диагностики обрыва вполне достаточно проверки условия (6.5). 2) время сброса сигнала при обрыве сопоставимо или в несколько раз больше периода опроса входных цепей, поэтому регулятор может заморозить выходной сигнал на значении, соответствующем сигналу с датчика уже после возникновения обрыва, но до момента начала выполнения условия (6.5). Для второго случая дополнительно используется информация о скорости изменения сигнала. Если сигнал изменяется быстрее, чем при нормальной работе измерительного канала, можно ввести задержку формирования сигнала с регулятора на п тактов (фактически на п тактов "заморозить" выход регулятора) с тем, чтобы "дождаться" выполнения условия (6.5). Это необходимо в связи с тем, что большая скорость изменения сигнала не обязательно объясняется обрывом. Например, может иметь место временная "посадка" напряжения источника питания при переключении фидеров и т. п. Количество тактов задержки определяется исходя из времени переходных процессов в цепи датчика и периода опроса.
Алгоритм диагностики обрыва и защиты от его последствий (рис.6.17) может предусматривать процедуру усреднения или безударного перехода от значений сигнала, предшествующих его резкому изменению, к сигналу после п тактов задержки.
Описание работы алгоритма.
На каждом такте проверяется скорость изменения входной переменной. Если она нормальная, то регулятор работает в обычном режиме. Если же скорость превышает норму, включается счетчик и переменная замораживается на п тактов. Если по истечении п тактов переменная стала меньше на 20 % (4 мА), следовательно, произошел обрыв провода; в противном случае производится сглаживание значений входной переменной от "старого сохраненного" к измеренному значению.
