Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор математических моделей каталитических реакторов 8
1.1 Квазигомогенные модели 9
1.2 Модель идеального вытеснения 11
1.3 Модель идеального смешения 12
1.4 Диффузионная модель 17
1.5 Усложненные модели для реакторов с однофазным потоком 19
1.5.1 Двумерная модель цилиндрических реакторов 21
1.5.2 Двухфазная модель реакторов с зернистым слоем 22
2 Объект исследования 27
2.1 Технологическая схема объекта исследования 27
2.2 Цели и задачи исследования 31
3 Разработка компьютерной модели окисления сернистого ангидрида 33
3.1 Математическая модель каталитического реактора 33
3.1.1 Математическое описание процессов тепло- и массопереноса по слою катализатора 41
3.1.2 Эффективный коэффициент диффузии 43
3.1.3 Степень использования внутренней поверхности катализатора ... 51
3.1.4 Скорость реакции 56
3.1.5 Отравление катализаторов 62
3.2 Численный метод решения системы дифференциальных уравнений 66
3.3 Проверка адекватности модели каталитического реактора 72
4 Разработка компьютерной математической модели теплообменного аппарата 77
4.1 Описание процесса теплопереноса 77
4.2 Математическое описание поинтервального метода расчета 81
4.3 Проверка адекватности модели теплообменного аппарата 90
5 Модель управления формированием качества продукта 93
Заключение 112
Список использованных источников
- Модель идеального смешения
- Цели и задачи исследования
- Степень использования внутренней поверхности катализатора
- Проверка адекватности модели теплообменного аппарата
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время практически ни одна отрасль промышленности не может обойтись без применения серной кислоты. В основном серная кислота используется в химической промышленности, так как она является исходным сырьем или катализатором для многих химико-технологических процессов.
Для современного этапа развития общества характерно широкое объединение и глубокое взаимопроникновение различных наук, что создает благоприятные условия для постановки и решения сложных научно-технических проблем. К их числу относится и создание автоматической системы управления получения серной кислоты контактным методом.
При создании автоматических систем управления технологическим процессом получения серной кислоты должны быть определены конкретные направления его функционирования (экономия топлива, сырья, материалов; обеспечение безопасности работы объекта; обеспечение заданных параметров выходной продукции; снижение затрат ручного труда; достижение оптимальной нагрузки оборудования; автоматизация режимов работы).
Совершенствование процесса управления дает возможность получить максимальный выход продукции высшего качества, снизить потери сырья, а, значит, получить наибольший экономический эффект, а также обеспечить более устойчивую работу оборудования.
Целиисследования:
оптимизация процесса формирования качества серной кислоты контактным методом согласно следующим критериям: снижение затрат на сырье и материалы при обеспечении заданных параметров выходной продукции, уменьшение потерь конечного продукта и минимизация нагрузки оборудования;
создание инструментария для расчета набора режимных параметров процесса в виде компьютерного программного продукта;
создание математической модельной базы для реализации прямого цифрового управления процессом окисления сернистого ангидрида на ванадиевом катализаторе.
Задачами, соответственными поставленным целям, являлись:
- моделирование структуры потоков и тепломассообмена в контакт
ном аппарате окисления сернистого ангидрида и теплообменном
аппарате;
I ЮС. НАЦИОНАЛЬІІАЗІ
( БИБЛИОТЕКА 1
» 1 УаЁЬя
математическое описание формирования качества проконтактиро-вавшего газа;
компьютерное моделирование тепломассопереноса в цилиндрическом каталитическом реакторе;
компьютерное моделирование теплопереноса в теплообменном аппарате;
разработка комплекса технических и программных средств, реализующих функции прямого цифрового управления процессом получения серного ангидрида.
Объект и методы исследования. Объектом исследования
является система технологических аппаратов контактного отделения сернокислотного производства: каталитический реактор и кожухотрубчатые теплообменники. На базе пассивного эксперимента проводится исследование математической модели указанной системы. В качестве метода исследования используются аналитический, экспериментальный и компьютерный методы. Аналитический и компьютерный методы исследований применяются для математического описания тепломассопереноса в неподвижном слое катализатора, теплопереноса в кожухотрубчатом теплообменном аппарате. Эмпирический метод используется для получения базовой информации, установления адекватности и проверки применимости предложенной математической модели.
Научная новизна. Разработана компьютерная комплексная модель процесса окисления сернистого ангидрида, включающего реактор с неподвижным слоем катализатора и кожухотрубчатые теплообменники, учитывающая динамику изменения вектора входных параметров. Предложенная компьютерная модель процесса положена в основу использования в качестве базовой модели при цифровом регулировании.
Практическая ценность. Разработан комплекс технических и программных средств, предложен алгоритм и способ прямого цифрового управления качеством конечного продукта на базе созданной компьютерной модели. Результаты компьютерного моделирования позволяют оценить изменение параметров процессов по длине и радиусу контактного аппарата и теплообменного аппарата, а также производить расчет управляющих воздействий.
л"лРёализация работы. На базе созданной компьютерной реализа-
ции математической модели спроектирована и внедрена автоматизированная система управления технологическим процессом получения серной кислоты на ФГУП "Бийский олеумный завод".
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на
региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации», проходившей в Новосибирском Государственном технологическом университете в 2002 году, а также на 3-ей и 4-ой Всероссийской научно-технической конференциях «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» проходивших в Бийском технологическом институте в 2002 и 2003 годах.
На защиту выносятся:
- математические описания рабочих процессов в каталитическом ре
акторе и тешюобмеином аппарате;
-.комплексная математическая модель технологического процесса, учитывающая динамику изменения входных параметров;
результаты компьютерного моделирования;
автоматическая система управления процессом окисления сернистого ангидрида на базе компьютерного моделирования.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 75 наименований и содержит 153 страницы машинописного текста.
В первой главе приведен литературный обзор известных математических моделей реакторов с неподвижным слоем катализатора и указаны их сравнительные характеристики и границы применимости. Во второй главе рассмотрен объект исследования. Комплексная математическая модель процесса окисления сернистого ангидрида на ванадиевом катализаторе приведена в третьей главе. Так же рассмотрены вопорсы установления адекватности модели реальному каталитическомй аппарату. Четвертая глава включает математическое описание процесса теплопереноса при моделировании тешюобменной аппаратуры и проверку адекватности полученной модели. В пятой главе рассмотрена модель управления формированием качества продукта на базе компьютерного моделирования, приведено описание комплекса программных и технических средств автоматизации.
Модель идеального смешения
Математическое описание процессов тепломассопереноса на моделируемом участке осуществляется с использованием подходов, опубликованных в работах [10 33].
Диффузионное торможение процесса обычно сопровождается и затруднениями с отводом тепла реакции, ведущими к появлению перепадов температуры внутри пористого зерна катализатора и между поверхностью частицы и ядром потока. Реальные кинетические закономерности каталитического процесса определяются как истинной кинетикой реакции на активной поверхности, так и. условиями массо- и теплопереноса; их изучение составляет предмет макрокинетики химических процессов.
Наиболее важное значение в процессах гетерогенного катализа имеет перенос вещества и тепла внутри пористой частицы катализатора. В этих условиях диффузия в порах протекает так же, как в объеме неподвижной жидкости или газа и скорость переноса вещества вдоль поры, отнесенная к единице ее поперечного сечения, определяется законом Фика:
Движущей силой диффузии является градиент концентрации диффундирующего вещества С вдоль направления поры X, а поток вещества направлен в сторону уменьшения концентрации. Величина коэффициента молекулярной диффузии DM, определяется как свойствами самого диффундирующего вещества, так и составом среды, в которой оно диффундирует.
Помимо процессов диффузии и теплопередачи внутри пористой частицы, существенное влияние на макроскопическую скорость каталитической реакции может оказывать массо- и теплообмен между внешней поверхно стью частицы и омывающим ее потоком. Гетерогенно-каталитический процесс всегда проводится в условиях интенсивного движения реагирующей смеси, при этом в основной части ("ядре") потока молекулярная диффузия играет пренебрежимо малую роль по сравнению с конвекцией, благодаря которой происходит выравнивание состава и температуры смеси. У твердой поверхности скорость потока обращается, однако, в нуль; поэтому вблизи поверхности перенос вещества будет определяться молекулярной диффузией реагентов. В первых работах по диффузионной кинетике гетерогенных реакций, принадлежащих Нернсту, принималось, что вблизи поверхности существует слой неподвижной жидкости толщиной д и диффузия через этот слой лимитирует скорость переноса вещества к активной поверхности. Согласно закону Фика (3.1) [8]: = - Цс.-С0), (3.2) где q - количество вещества, диффундирующего через единицу поверхности в единицу времени; DA/S= р- коэффициент массоотдачи; (Ссо - Со) - перепад концентраций между ядром потока и поверхностью. На самом деле скорость потока плавно спадает по мере приближения к твердой поверхности, так что представление о существовании неподвижного диффузионного слоя не соответствует действительности [17]. Чтобы найти поток вещества, диффундирующего на твердую поверхность, необходимо решить уравнение конвективной диффузии с граничными условиями, заданными на этой поверхности. В случае ламинарного движения стационарное распределение концентрации вещества определяется уравнением конвективной диффузии: дС дС дС д2С где их, Uy,, uz- компоненты вектора скорости и, являющиеся функциями координат Y, Z.
Величину и направление скорости в каждой точке определяют решением уравнений гидродинамики. В правой части уравнения (3.3) оставлена вторая производная только по координате X, нормальной к поверхности, так как по всем другим направлениям перенос вещества молекулярной диффузией пренебрежимо мал. Граничные условия для уравнения (3.3) определяются тем, что диффузионный поток на твердую поверхность катализатора равен скорости химической реакции, а на достаточном удалении от поверхности концентрация равна С«
При больших скоростях движения практически весь перепад скорости сосредоточен в тонком гидродинамическом пограничном слое толщиной So, а перепад концентрации - в диффузионном пограничном слое толщиной д. Величина S будет различной на разных участках поверхности, являющейся неравнодоступной в диффузионном отношении. То же относится и к толщине гидродинамического пограничного слоя So- Отношение So/S тем выше, чем больше отношение кинематической вязкости вещества VK коэффициенту молекулярной диффузии DM- В газах толщины диффузионного и гидродинамического пограничных слоев - величины одного порядка и уравнение (3.3) может быть решено только приближенными методами. Аналогичным способом - путем решения уравнения конвективной теплопроводности - определяют и тепловой поток на твердую поверхность.
Решение уравнения (3.3) позволяет представить поток вещества на активную поверхность в виде (3.2) с эффективной толщиной диффузионного слоя S, зависящей от скорости и физических свойств вещества. Кроме того, величина д оказывается зависящей и от скорости гетерогенной реакции. Это связано с тем, что при конечной скорости реакции концентрация реагирующего вещества изменяется вдоль неравнодоступной активной поверхности, что, в свою очередь, влияет на условия массопереноса. Только в том случае, когда гетерогенная реакция протекает практически мгновенно, приповерхностная концентрация С0 будет повсюду равна нулю, если реакция необратима, или некоторой равновесной концентрации в случае обратимой реакции; при этом величина 8 является вполне определенной и не зависит от кинетики процесса [21, 27].
При обтекании тел сложной геометрической формы уравнения (3.3) становятся практически неразрешимыми. В этом случае эффективная толщина диффузионного слоя или коэффициент массопередачи /? = DM /8 могут быть определены только экспериментально. Экспериментальные данные удобно представлять в виде функциональной зависимости между безразмерными параметрами [14]:
Цели и задачи исследования
Под отравлением катализаторов понимается понижение или полное исчезновение активности катализаторов под действием небольших количеств веществ, называемых ядами. Вследствие важности этого явления для практики катализа целесообразно рассмотреть важнейшие стороны теории отравления катализаторов. Термин отравление следует разделить на блокировку и непосредственно отравление.
При отравлении наблюдается специфическое действие яда в отношении данного катализатора и данной реакции [14, 10]. Блокировка же представляет собой фактически механический процесс экранирования поверхности катализатора в результате отложения на ней примесей. Поэтому блокировка не специфична ни в отношении реакции, ни в отношении катализатора. Блокировка резче сказывается на пористых катализаторах вследствие забивки пор. При блокировке в первом приближении не меняются ни энергия активации катализатора, ни его избирательность (исключая процессы в диффузионной области), поскольку действие блокирующего вещества сводится к механическому выключению отдельных участков поверхности. Блокировка, как правило, является обратимым процессом, если при удалении блокирующего вещества не происходит разрушения или дезактивации катализатора. Наиболее сложен механизм действия ядов на металлические или полупроводниковые катализаторы. Металлы, особенно благородные, значительно более чувствительны к ядам, чем окисные полупроводниковые катализаторы. Мэкстед, рассматривая отравление металлических катализаторов, делит яды на три группы: - молекулы, содержащие элементы основной подгруппы V и VI групп периодической системы, а именно: N, Р, As, О, S, Se, Те, включая элементы в свободном состоянии, кроме азота; - соединения металлов; - молекулы, содержащие кратные связи.
Общепринято деление процессов отравления на обратимые и необратимые. Однако такое деление является скорее вопросом практического удобства, так как, строго говоря, обратимо всякое адсорбционное отравление. Практически адсорбционное отравление необратимо только в том случае, когда адсорбированный яд образует с катализатором химическое соединение. Хотя понятие обратимости является относительным, принято считать отравление обратимым только тогда, когда при обработке поверхности свежим, не содержащим яда реагентом наступает относительно быстрое восстановление активности катализатора.
Для исследования кинетики отравления существенен источник поступления каталитического яда. Яд может либо поступать из реагирующей смеси, где он содержится в виде примеси, либо образовываться на самом катализаторе из исходного вещества или продуктов реакции. В обоих случаях кинетика отравления поверхности будет совершенно различной, что особенно сильно ощущается при диффузионном торможении процесса. Зависимость степени отравления катализатора от количества поглощенного им яда для многих случаев в широких пределах имеет линейный характер. При неоднородности поверхности кривая, отравления может иметь значительные отклонения от линейности. Величина отклонения зависит от типа функции распределения поверхности по теплотам адсорбции и от функции взаимосвязи теп лоты адсорбции яда и энергии активации реакции. Реакция адсорбции яда, протекающая при отравлении поверхности катализатора, представляет собой фактически дополнительную реакцию, конкурирующую с основной реакцией синтеза целевого продукта. Адсорбция яда на поверхности пористого катализатора, как и всякая реакция, тормозится диффузией реагента в порах, и характер отравления поверхности будет зависеть от того, протекает ли реакция отравления в кинетической или диффузионной области.
При анализе кинетики процесса на отравляющемся катализаторе возникают особые трудности, связанные с тем, что показатели такого процесса изменяются со временем по мере накопления адсорбированного каталитического яда на активной поверхности. В случае, когда яд поступает в зерно катализатора из потока реагентов, его концентрация в порах катализатора Ся и количество адсорбированного яда, отнесенное к единице активной поверхности, Ф определяются уравнениями [8]: є = Оя -огЯя(Ся,и,С,Т), (3.49) — = гя(Ся,и,С,Т), (3.50) где є- доля свободного объема пористой частицы; Ия - эффективный коэффициент диффузии яда, м с; а- площадь активной поверхности в единице объема зерна, м2; г я - скорость адсорбции яда отнесенная к единице активной поверхности, кг/(м3-с). Величина гя в общем случае зависит от концентрации свободного и адсорбированного яда, состава реагирующей смеси в дан ной точке С и температуры Т.
Скорость основной реакции будет зависеть от количества адсорбированного яда; поэтому при расчете процесса необходимо решать уравнения совместно с уравнениями материального баланса реагентов и баланса тепла. Вследствие постепенного накопления яда наблюдаемая скорость процесса будет уменьшаться со временем вплоть до достижения равновесной степени отравления или полной потери активности катализатора.
Когда адсорбция яда протекает медленно, его диффузия в порах не является лимитирующим фактором, концентрация яда Ся станет постоянной по всему объему зерна. В этом случае отравление поверхности будет практически равномерным. Отравление такого типа равносильно уменьшению эффективной константы скорости к основной реакции. Так как скорость реакции во внутридиффузионном режиме пропорциональна к172 (и, соответственно, фактор эффективности /7 к ш), равномерное отравление снижает скорость реакции во внутридиффузионном режиме слабее, чем в кинетическом. Аналогичным образом воздействует на скорость основной реакций и обратимое отравление активной поверхности. В обоих случаях основная часть яда сорбируется во внутренних областях зерна, которые при переходе во внутридиф-фузионный режим становятся практически недоступными для реагентов.
Отравление катализатора снижает скорость реакции не только за счет уменьшения площади активной поверхности, но и вследствие того, что молекулам реагентов, прежде чем достигнуть активной поверхности, необходимо пройти отравленную зону, создающую дополнительное диффузионное сопротивление.
Степень использования внутренней поверхности катализатора
Оптимальный режим процесса, протекающего в реакторной схеме, достигается варьированием времени контакта и начальных температур на каждой из стадий. Требуемая действующая температура может поддерживаться с помощью промежуточных теплообменников. Задача выбора режима процесса требует уже существенно иного математического аппарата. Такой процесс описывается системой дифференциальных, а не алгебраических уравнений; поэтому здесь невозможно получить аналитические выражения для частных производных максимального значения критерия оптимальности по концентрациям ключевых веществ и варьируемым параметрам способами. Ключом к решению этой задачи является применение математического аппарата, позволяющего вычислять необходимые для решения задачи об оптимальном температурном профиле значения величин путем интегрирования надлежащим образом составленных дифференциальных уравнений.
В данном случае можно сразу указать характер температурного профиля [8]. Если рост температуры, ускоряя процесс, увеличивает также его избирательность, то оптимальная температура должна быть как можно более высокой. Поэтому температуру процесса следует поддерживать на верхнем допустимом пределе.
Разработанная программа положена в основу проекта современной цифровой системы управления технологическим процессом.
Модель выработки управляющих воздействий в общих чертах выглядит следующим образом. Базируясь на векторе входных значений параметров технологического процесса и текущих заначениях параметров качества, система управления на базе математической модели делает прогноз конечных параметров качества с учетом промежуточных параметров качества. Далее система управления сравнивает прогнозируемые конечные параметры качества с заданными значениями (желаемыми параметрами качества) и делает вывод о необходимости генерации управляющих воздействий. В случае благоприятного прогноза система не генерирует управляющих воздействий. Если прогноз не является благоприятным, делается изменение набора значений параметров технологического процесса в сторону условной оптимальности на предварительно рассчитываемое значение с целью минимизации абсолютного значения отклонения прогнозируемых параметров качества от заданных значений и на базе математической модели осуществляется пересчет прогнозируемых параметров качества.
Цикл расчетов продолжается до тех пор, пока прогнозируемые и заданные параметры качества не совпадут (с точностью є). После чего расчитываются управляющие воздействия, которые бы соответствовали измененным значениям параметров технологического процесса. Далее определяются значения величин управляющих воздействий, которые будучи реализованны, обеспечат требуемый набор изменённых значений технологических параметров.
На базе теоретических исследований [73, 74], проведенных экспериментов и практических наработок предложена система управления реальным технологическим процессом. Формирование вектора выходных значений осуществляют следующим образом. Измеряют температуру на входе и выходе каждого слоя. Определяют величину отклонения температуры на выходе каждого слоя от заданного значения по математическому выражению: Т -Т где Твьаі - значение температуры на выходе /-го слоя; Твых І - заданное значение температуры на выходе /-го слоя; AT - допустимый диапазон изменения температуры на входе в /-й слой катализатора. При заданном значении качества готового продукта регулирование температуры на входе во 2 слой достигается путем изменения соотношения количества газа после наружного теплообменника и газа на выходе с 1 слоя. Регулирование температуры на входе в 3 слой достигается путем изменения соотношения количества газа после выносного теплообменника и газа на выходе 2 слоя. Соотношения рассчитывают с использованием математической модели объекта. Регулирование температуры на входе в 4 и 5 слои достигается путем изменения количества газа, поступающего во внутренние теплообменники.
Принцип работы предлагаемой системы управления поясняется с помощью рисунка 5.1. сернистого ангидрида Контуры управления технологическими параметрами процесса организованы по комбинированной схеме, сочетающей принципы регулирования по отклонению и по возмущению с использованием математической модели объекта.
Датчики 7-16 температуры по каждому слою контактного аппарата 1, датчики 20 - 26 температуры на входе и выходе дополнительного теплообменника 2, наружного теплообменника 3 и выносного теплообменника 4 соединяются через ЭВМ 36 и устройство сопряжения с объектом 35 с электрической задвижкой 31 на трубопроводе между вторым и третьим слоем контактного аппарата, электрической задвижкой 32 на линии входа газа во внутренний теплообменник 6, электрической задвижкой 33 на линии входа газа во внутренний теплообменник 5, электрической задвижкой 34 на линии подачи газа во второй слой контактного аппарата 1.
На ЭВМ, используя математическую модель, согласно оптимальному температурному режиму работы каталитического реактора, рассчитывают величины корректирующей температуры на входе в /-й слой Ткор,-, корректирующий расход GKOp І и корректирующую концентрацию скор ъ для момента времени t+tpeaKi, где t - текущий момент времени; tpeaxi - время реакции В /-OM слое катализатора. При этом учитывают температуру, расход и концентрацию газа, подаваемого на /-й слой катализатора, для момента времени t. Для 1 слоя катализатора учитывают, также, давление газа перед 1 слоем катализатора. Температуру газа на входе стабилизируют регулятором, отрабатывающим, например, ПИД-закон регулирования. Для этого на вход регулятора подается сигнал с датчика температуры, установленного на входе в 1-й слой. На другой вход регулятора подают задание по температуре, рассчитанное с использованием математической модели объекта.
На описанный способ автоматического управления многослойным контактным аппаратом подана заявка на изобретение, которая в настоящее время проходит экспертизу по существу. Поведение потоков в реальных аппаратах настолько сложно, что в настоящее время дать строгое математическое описание невозможно. В то же время известно, что структура потоков оказывает существенное влияние на эффективность химико-технологических процессов, поэтому ее необходимо учитывать при моделировании процессов. При проведении химико-технологических процессов важно знать степень полноты их завершения, что, в свою очередь, зависит от распределения во времени пребывания частиц потока в аппарате, поскольку некоторые доли потока могут задерживаться в аппарате, а другие наоборот проскакивать, что непосредственно связано со временем контакта и диффузией. Распределение времени пребывания частиц потока в аппарате имеет стохастическую природу и оценивается статистическими методами.
Сущность метода заключается в том, что в поток на входе его в аппарат каким-либо способом подают некоторое возмущение, а на выходе потока из аппарата измеряют выходной сигнал как функцию времени. Эта выходная кривая является функцией отклика системы на типовое возмущение по составу потока: импульсное, ступенчатое, циклическое [68, 69].
В реальном технологическом аппарате, работающем в одном из технологических режимов, наиболее приемлемым является циклическое возмущение, которое приблизительно имеет форму синусоиды. При наложении синусоидального возмущения на входящий поток (изменение температуры, концентрации) получают на выходе функцию отклика, также представляющую собой синусоиду. Возмущение на входе определяется амплитудой и частотой. У выходной синусоиды изменяется амплитуда и происходит фазовый сдвиг. Величина фазового сдвига и изменение амплитуды для одного и того же объекта являются функциями частоты возмущающего сигнала. Фазовый сдвиг определяет задержку распространения (время реакции аппарата), а отношение амплитуд выражает коэффициент усиления.
Проверка адекватности модели теплообменного аппарата
Иерархически оно состоит из трех уровней. Ядро является основой системы и выполняет функции анализатора всех поступающих возмущений и маршрутизатора таковых. Уровень конечных исполнителей отвечает за проработку конкретных операций. Программно, конечные исполнители, оформлены в виде модулей, внешних программ. На этом уровне возможна интеграция с другими приложениями. По отношению к ядру они представлены черными ящиками, имеющими свои входы и выходы. Генерацию вектора входных значений и прием вектора выходных значений берут на себя элементы, входящие в уровень подсистем. Эти элементы являются посредниками между ядром и конечными исполнителями, образуя средний уровень. Направление потоков данных в системе возможно в направлениях как "сверху-вниз" так и "снизу-вверх".
Нижний (ядро) и средний (подсистемы) уровни активны в течение всего времени работы системы, в то время как пассивность конечных исполнителей определяется задачами, которые ставятся пользователем.
Ниже представлено описание конечных исполнителей системы [70]: - "Анализ возможных последствий". Выходной вектор включает в себя прогноз состояния каждого из узлов объекта согласно поступающему вектору входных значений. Время анализа (просчета) возможного состояния системы равно времени полного цикла расчета объекта управления и пропорционально производительности используемого ПЭВМ. Время прогноза определяется временем реакции объекта управления на подаваемое возмущение. - "Расчет параметров объекта". Этот конечный исполнитель подобен вышеописанному, за исключением того, что выходной вектор включает в себя значения параметров за все время реакции объекта с некоторой дискретностью по времени Тд, которая определяется разработчиком и зависит от возможности ПЭВМ. В созданной математической модели отсутствует явная зависимость от времени, однако косвенно она присутствует при определении линейной скорости поступления реагента. В реальном технологическом процессе возможно резкое изменение входных параметров за время меньшее времени реакции системы Тр. В связи с этим исполнитель необходимо вызывать постоянно, что является практически недостижимо при работе исполнителя совместно со SACDA-системой. Существует следующие решения поставленной задачи. Во-первых, возможно разделение этих программных средств на отдельные ПЭВМ, при этом обмен данными между ними возможен через сетевые протоколы Ethernet или ТСРЯР. В этом случае исполнитель может вызываться постоянно. Во-вторых, возможно оптимальное разделение времени загрузки процессора Т3 ПЭВМ между данными приложениями, при этом обмен данными возможен, например, через механизм динамического обмена данными DDE. Время загрузки процессора исполнителем Т3И определяется мощностью процессора Т„ и максимальным временем реакции каждого звена объекта управления и уникально для каждого ПЭВМ. Суще 109 ствует следующая зависимость: Т3 кТд р , где к - коэффи п циент распределения времени загрузки процессора приложениями. Для данного объекта наиболее инерционным звеном является контактный аппарат, время реакции которого (опираясь на экспериментальные данные) составляет 15 минут. Система настраивалась на базе процессора Intel Pentium-4 с тактовой частотой 2ГГц. При этом время дискретности равно 60 секунд, а время просчета составляет 1,760 секунды. Таким образом, оптимальное отношение времени загрузки процессора SCADA-системой к времени загрузки расчетом параметров объекта составляет (60 - 1,760)/1,760 и равно 33:1, т.е. к = 33. Что является необходимым и достаточным условием для выработки оптимального управляющего воздействия. - "Привязка к органам управления объектом". Описываемый конечный исполнитель выдает управляющее воздействие на объект управления. При своей работе он взаимодействует с подсистемами математической модели и ввода/вывода информации. В данном случае осуществлена полная привязка к уже имеющемуся на производстве оборудованию и системе управления технологическим процессом.
"Обмен с внешними приложениями". Данный исполнитель отвечает за обмен данными между SCADA-системой и компьютерной реализацией математической модели. Механизмом передачи данных является динамический обмен данными DDE, который инициируется каждый раз при вызове исполнителя "расчет параметров объекта". В качестве DDE-сервера выступает SCADA-система, а DDE-клиента - математическая модель. Схема обмена состоит из: инициализации DDE-клиента и DDE-сервера, приема данных от SCADA-системы, расчета параметров объекта, выработки управляющего воздействия, посылки данных SCADA-системе.
"Чтение, запись данных". Данный конечный исполнитель выполняет следующие функции: хранения информации в файлах на накопителе и ее восстановление в виде удобном для восприятия. Интервал хранения равен времени дискретизации. Данный подход обеспечивает целостность хранения и синхронизацию обмена данными с другими приложениями, т.е. существует дополнительный механизм в исполнителе "обмена с внешними приложениями". Чтение (восстановление) архивной информации происходит из указанных файлов.
