Добавил:

euroduck97 ac3402546@gmail.com Направление обучения: транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов группа ВН (Вечерняя форма обучения) Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина

Предмет:

Автоматизация производственных процессов

Файл:

Лекц / Л1 Текст

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

06.06.2021

Размер:

917.75 Кб

Скачать

☆

Введение в автоматизацию технологических процессов

На текущей стадии развития нефтегазовой отрасли и всей промышленности в целом

автоматизация стала неотъемлемой частью технологического процесса (ТП) [3].

Проектирование систем управления на ранней стадии разработки проекта ТП

позволяет обеспечить эффективную и безопасную эксплуатацию производства на

всем жизненном цикле. Под эффективностью ТП подразумевается снижение

затрат на производство единицы продукции и максимизация выхода продукции.

Вследствие существенного

усложнения технологических процессов, повышенияк

требований к качеству продукции, управление большим числом технологических

параметров в реальном времени при необходимости соблюдения большого числа

ограничений в ручном режиме не представляется возможным.

.М

Современные

системы

управления

предназначены для стабилизации параметров

технологического процесса

заданных

рабочих

точках

обеспечением

необходимого уровня безопасности, эффективности процесса и качества

выходной продукции. На практике эти задачи решаются за счет измерения и

мониторинга параметров, регулирования и оптимизация.

оценки

Автоматизация начинается с измерения параметра. Для

состояния объекта нужно

в первую очередь уметь получить информациюио параметрах, которые

характеризуют его текущее состояние. При изм р

ии параметра оператор может

наблюдать за измеряемым значением,

строить тр нды и составлять таблицы для

анализа режима работы.

Под

мониторингом

параметров

понимается

змерение

и дальнейшая обработка,

включающая фильтрацию, преобразованиеи, сравнение с регламентными или

граничными

значениями.

Под

)мониторингом

чаще всего

понимается

автоматизированный процесс с непосредственным участием человека. В этом

случае

анализ текущего

состоянияУобъекта и принятие решения выполняет

оператор.

Регулирование

является

автоматической

операцией,

которую

выполняют

специализированные

(устройства

автоматики, такие как программируемые

логические устройства, микроконтроллеры или другие электронные,

пневматические, механические устройства.

Задачи оптимизации реш ются

автоматическом, полуавтоматическом или ручном

режиме в зависимостиа

от сложности технологического процесса и уровня его

автомат зации.

По разл чным оценка затраты на автоматизацию ТП за период с 60-хх годов 20 века по

екущ й момент выросли с 6% до 12% от общей стоимости завода. Что косвенно

свидетельствуети

о том, что результаты вложений в автоматизацию окупаются во

твремя эксплуатации.

Точные количественные оценки роста эффективности от

внедрения систем управления на производстве делать крайне сложно, т.к.

слишком многофакторная задача. Но можно честно сказать, что запуск в работу

большого количества предприятий был бы просто невозможен без внедрения

систем управления.

Для построения работоспособных

и эффективных систем управления инженер по

системам управления должен хорошо разбираться в технологии процесса,

обладать отличной базой знаний по математике, физике и желательно по химии,

разбираться в электронике и электротехнике, понимать принципы работы средств

измерений и

исполнительных

механизмов, знать

устройство

вычислительных

устройств, владеть методами анализа динамики процесса и любить теорию управления.

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

Важно зафиксировать часто недооцениваемое утверждение о том, что эффективно

управлять процессом без его глубокого понимания – невозможно. Попытки

управлять технологией без учета нелинейностей и динамики поведения объекта

управления,

особенностей

поддержания

рабочей точки,

критических

зон,

особенностей

режимов

работы

технологического

оборудования

часто

завершаются неудачей.

В результате широты и глубины решаемых задач, необходимости постоянного

саморазвития и крайне позитивных эмоций от результатов решения сложных

задач с максимальным задействованием усилий каждого специалиста, в команды

по управлению процессами приходят крайне эрудированные, интеллектуальные,

целеустремленные, жизнелюбивые и самодостаточные личности.

Рады предложить

Вам

сделать небольшой шаг с помощью

данного

курса в

сферу

управления

процессами

и,

возможно,

будущем

Вам

посчастливиться

.М

потрудиться на благо команды инженеров по системам управления

технологическими процессами.

Терминология автоматизации технологических процессов

Когда мы употребляем термин «процесс», то под этим понимаем цепочку химических и

физических преобразований исходного сырья в целевую продукцию [5]. На

практике технологический

процесс

включает

т х ологическое

оборудование и

последовательность технологических операций, которая позволят успешно

решать целевые задачи завода.

Выделяют три категории технологических процессов: непрерывные, периодические,

дискретные.

В рамках данного курса будут рассматриваться)непрерывные технологические процессы,

которые наиболее широко встречаются в нефтегазовой отрасли. Примеры таких

процессов приведены на рис. 1.

(

рисф. 1 Пример технологического оборудования непрерывных технологических процессов

Теплообменник предназначен для обеспечения непрерывного теплообмена между

сырьем и хладагентом. Регулируемым параметром является температура сырья

на выходе теплообменника, которая регулируется с помощью изменения расхода

хладагента. Основными возмущающими воздействиями являются расход и

температура сырья на входе.

Реактор обеспечивает протекание заданной реакции за счет подачи хладагента в рубашку

реактора. В качестве основных возмущающих воздействий являются состав, расход и температура реагента.

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

Печь подогревает сырье до заданной температуры за счет сжигания топливовоздушной смеси в камере сгорания. Основными возмущениями являются расход и температура входного сырья на входе в печь.

Для каждого из приведенных непрерывных технологических процессов использовались

следующие

термины, необходимые

для

дальнейшего погружения

основы

автоматизации:

регулируемые параметры (Controlled Variables – CV, Process Variables – PV);

регулирующие параметры (Manipulated Variables – MVs);

возмущающие воздействия (Disturbance Variables – DVs).

Попробуем сделать следующий шаг в основы в автоматизации с помощью рассмотрения

простого

технологического

процесса

смешения

потоков

различным

содержанием компонентов.

Такой процесс

используется во многих

отраслях

.М

промышленности для подготовки вторичного сырья заданной спецификации с

целью дальнейшего получения конечных продуктов.

Смеситель представляет собой бак с двумя входами и одним выходом (рис 2). На первый

вход подается поток с расходом w1,

состоящий из смеси компонентов А и В.

Компоненты в данном случае принимаются условные, это не влияет на

дальнейшие рассуждения. Доля компонента А во

входной

смеси обозначается x1.

Если x1=0, то на вход поступает поток с компоне том В. Если x1=1, то входной

поток содержит только компонент А.

Значения x1

в диапазоне [0:1]

определяют

соотношение компонентов А и В на входе в

смесит

ль.

На второй вход подается поток, содержащий только ко

понент А. Изменяя расход w2

второго потока, мы сможем влиять на соотношение компонентов внутри

смесителя.

Задача

смесителя

– обеспечить в

непрерывном)

режиме на своём выходе поток с

расходом w и заданной долей x компонента А.

(

рис. 2 Смеситель

Регулирование по возмущению

Попробуем ответить на вопрос: если доля x1 равна постоянному значению и не изменяется,

то с каким расходом w2 нужно подавать компонент А в смеситель, чтобы на выходе

доля х была равна заданному значению хsp?

В автоматизации желаемое значение параметра принято называть заданным значением.

Как

правило, заданное значение параметра

автоматическом

режиме

поддерживается регулятором, поэтому заданное значение часто называют

уставкой регулятора или сокращенно «уставка».

английской

терминологии

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

setpoint или сокращенно SP. Поэтому мы обозначили желаемое значение доли компонента А на выходе хsp

Для ответа

на выше

поставленный

вопрос

запишем

уравнения материального и

компонентного балансов:

(1)

(2)

Подставим выражение (1) в (2) и выразим :

(3)

.М

Так как на второй вход подается чистый компонент А, то можем принять x2.=1 Значение

доли

компонента А

выходном

потоке у

нас задано,

например,

из

технологического регламента, то мы можем считать его известной величиной и

переобозначить

следующим образом

x=хsp.

При постановке вопроса мы

предположили, что доля компонента А во входном потоке постоянная и равна

(обозначение

характеризует постоянное

значен

е).

В результате получаем:

(4)

Если измерять расход

и знать все остальные значения составляющих формулы (4), то

в любой момент времени можно определить)

необходимый расход

. С таким

расходом нужно подавать компонент А, чтобы в выходном потоке смесителя с

расходом

была заданная мольная доля x компонента А.

Такой подход к управлению технологическимИ

параметром называется регулирование по

возмущению (feedforward control). Здесь в качестве возмущения выступает

входной расход

(Предположим,

что увеличивается расход

, то

при

неизменном значении

доля компонента А в смесителе будет уменьшаться.

Регулятор,

работающийа

по возмущению (рис. 3), непрерывно измеряет

возмущение

з, рассчитывает

значение

подает на

исполнительное

устройство, н пример,

на клапан, команду на увеличение подачи

. Такой процесс

регул ровангя происходит непрерывно без участия человека.

рис. 3 Регулирование по возмущению

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

Важно обратить внимание на то, что при регулировании по возмущению текущее значение

целевого регулируемого параметра (мольная доля

компонента А в выходном

потоке) не измеряется. Мы лишь предполагаем, что условия формулы (4) всегда

соблюдаются и при регулировании

мы обеспечиваем равенство

. Но так

будет не всегда.

Что будет с мольной долей

на выходе, если будем предполагать, что

, но на самом

деле мольная доля

отклонится от

? Предположим, что

увеличилась, тогда

доля компонента А в смесителе увеличится, при этом регулятор продолжает

подавать компонент А с рассчитанным расходом

для

Для учета изменения

во времени и использования формулы (3) для регулирования

логичным будет измерять

и использовать актуальное значение для расчета

управляющего воздействия.

Метод регулирования по возмущению хорош тем,

что реагирует на возмущение до того

момента, как возмущение успеет воздействовать на объект управления.

Например, если увеличился входной расход

регулятор изменяет

и в этом

случае

не

успевает

существенно отклониться

от

заданного.Мзначения.

«Существенно» здесь употребляется не зря, так как на самом деле отклонение

произойдет по

причине

отличия предложенной

математической модели от

реального объекта (не учитывается инерционность сполн тельного устройства,

средства

измерения,

скорость

перемешивания

смесителя и

др.) но

утри

отклонение будет существенно меньше, чем при способе регулирования, который

рассмотрим ниже.

Недостатком регулирования по возмущению является необходимость измерения всех

возмущающих воздействий, влияющих на объект. На реальном объекте измерить

и корректно учесть в модели все возмущающиеи

воздействия практически

нерешаемая задача и дорогостоящая). Но это и не пытаются делать. Обычно

регулирование

по возмущению

используется

в комбинированных системах в

качестве вспомогательного регулятора для улучшения показателей качества

регулирования.

Регулирование по отклонению

(

Выше мы обратили вним ние

то,

что при регулировании по возмущению не измеряется

на

и не учитыв ется при расчете управляющего воздействия регулируемый параметр

. Это является ещё одним существенным недостатком метода регулирования по

возмущению.аОператору технологического процесса важно знать текущее

значен е регулируемого параметра и его отклонение от заданного значения.

На этом требовании и строится следующий принцип регулирования по отклонению,

ко орый по достоинству оценен промышленностью и получил широчайшее

распространениеи

Запишем разницу между желаемым и текущим значением регулируемого параметра:

(5)

нВ автоматизации

разницу

принято

называть

рассогласованием или

ошибкой, или

отклонение текущего значения регулируемого параметра от желаемого значения.

Рассогласование,

ошибка,

отклонение

–

это

всё

синонимы.

Задача

автоматического регулятора поддерживать значение рассогласования равным

нулю. Таким образом, управляющее воздействия регулятора должно зависеть от

величины рассогласования. В простейшем случае предположим, если

рассогласование

увеличивается, то управляющее воздействие

тоже растет:

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

(6)

Формула (6) не будет работать на реальном регуляторе, но в данном контексте призвана

показать основную идею способа регулирования по отклонению, который

относится к классу систем с обратной связью (feedback control). Коэффициент

называется усилением, но пока оставим его за скобками текущих рассуждений и

вернемся к нему позже.

Основным преимуществом регулирования по отклонению является его независимость от

числа возмущающих воздействий. В отличие от регулирования по возмущению,

достаточно измерять только регулируемый параметр и знать заданное значение.

В случае, если возмущающее воздействие влияет на регулируемый параметр, то

регулятор обнаружит это в результате отклонения от уставки .

На рис. 4 датчик АТ измеряет содержание компонента А в выходном потоке смесителя и

подает электрический сигнал на вход регулятора АС. Регулятор сравнивает

текущее значение доли х с желаемым значением и манипулирует клапаном таким

образом, чтобы текущее значение х стало равным желаемому значению.М.

)

(

рис. 4 Регулирование по отклонению

Главный недостаток данного способа регулирования заключается в том,

что регулятор

начинает реагиров ть на возмущающее воздействие только после отклонения

регулируемого п р метра от уставки. Т.е. возмущение успевает воздействовать на

объект.

Для

повышен ягкачества регулирования на практике частот

используют

комб н рованные системы, которые включают основной контур регулирования

по отклонен ю и вспомогательные контуры по возмущению.

Обратная связь

Системы регулирования, в которых величина управляющего сигнала зависит от выхода

объекта, используют обратную связь [1,2,4].

еОбратная связь считается отрицательной, если в результате работы регулятора разница

между текущим значением регулируемого параметра и заданным значением

стремится к нулю. Отрицательная обратная связь чаще всего применяется в

системах регулирования.

Обратная связь считается положительной, если в результате работы регулятора разница

между текущим значением регулируемого параметра и заданным значением будет расти. Т.е. регулятор будет уводить текущее значение регулируемого параметра от желаемого значения.

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

На рис. 5 приведен пример реализации системы управления с обратной связью.

Регулируемым параметром x(t) является доля компонента А в выходном потоке

смесителя, который измеряется и подается по обратной связи на вход регулятора.

Регулятор сравнивает текущее значение регулируемого параметра с заданным и

вырабатывает управляющее воздействие u(t), тем самым пытаясь привести

текущее значение к уставке.

Система 1

Система 2

u(t)

x(t)

Регулятор

Доля А в

выходном

потоке

Обратная связь

рис. 5 Контур с замкнутой обратной связью

Следует обратить внимание, что регулируемый параметр измеряется на выходе Системы

2 и подаётся на вход Системы 1. Влияние выхода Системы

.2 наМеё же вход и

определяет смысл термина «Обратная связь». При этом регулятор вырабатывает

управляющее воздействие на основании уже прошлого состоянияИ

Системы 2,

поэтому системы регулирования с обратной связью будут всегда запаздывать.

На практике часто возникают задачи,

когда требуется разомкнуть обратную связь и

воздействовать на объект управления независимо от состояния его выхода (рис.

6). Например, контур с разомкнутой обратной связьюеможет потребоваться, когда

необходимо прекратить подачу чистого ко

понента А в смеситель. В этом случае

размыкают обратную связь

Система 1

)

Система 2

m(t)

u(t)

Доля А в

х(t)

Регулятор

выходном

потоке

рис. 6 Контур с разомкнутой обратной связью

(

Система регулирования с отрицательной обратной связью

Пример

системы

регулирования доли

компонента

на выходе

втом тического

смесителя с отрицательнойа

обратной связью приведен на рис. 7.

Программируемый логический

доля[ ]

/ч]

контроллер

м[

Сумматор

x1(t)

w1(t)

xsp

e(t)

p(t)

w2(t)

Преобразо-

Регулятор

Клапан

Объект

ватель

/ч]

регулирования

[доля]

[мА]

[м

x(t) [доля]

Датчик

xm(t) [mA]

Чувствительный

элемент и

передатчик

рис. 7 Блок-схема одноконтурной системы автоматического регулирования доли

компонента А на выходе смесителя с отрицательной обратной связью

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

Текущее значение доли x(t) компонента А на выходе смесителя измеряется с помощью

датчика. Измеренное значение доли x(t) преобразуется датчиком в стандартный

нормированный токовый сигнал и передается на программируемый логический

контроллер, реализующий функцию регулятора.

Контроллер1 приводит сигнал с задатчика желаемого значения

к единой форме с

сигналом

датчика. Определяет

рассогласование

по формуле

(5), вычисляет

величину

управляющего

сигнала

по формуле

(6)

и подает

нормированный

управляющий сигнал на клапан.

Клапан

изменяет расход подачи

компонента

А в

смеситель

и влияет на долю

компонента А в потоке на выходе смесителя.

Контроллер по закону регулирования будет подбирать положение клапана до тех пор,

пока текущее значение

регулируемого

параметра

не будет равно заданному

значению.

.М

В случае изменения возмущений

или задания

это приведет к появлению

рассогласования и регулятор снова будет подбирать такое положение клапана,

которое приведет систему к новому установившемуся состоянию.

Иерархия и временной горизонт функций автоматизированных с стем управления

технологическими процессами

На рис. 8 приведены функции автоматизированных сист м управления технологическими

процессами

с привязкой ко

времени,

котороезанимает выполнение одной

итерации функции.

)

(

рист. 8 Иерархическая структура функций автоматизированных систем управления

технологическими процессами

Изм рение и управление осуществляется датчиками и исполнительными устройствами,

которые

по

промышленным

протоколам

соединяются

программируемыми

логическими контроллерами и являются обязательными составляющими любой

системы управления.

Противоаварийная

защита предназначена для

обеспечения безопасной эксплуатации

технологического процесса. Обеспечивает контроль работы датчиков, анализ

сигнализаций и правильности ведения штатных режимов.

1 В данной конфигурации контроллер включает один регулятор. На практике промышленные контроллеры могут включать тысячи одноконтурных регуляторов.

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

Автоматическое регулирование решает задачу стабилизации регулируемых параметров с

помощью регулирования по отклонению и возмущению. В случае недостаточности

данных методов могут быть использованы системы усовершенствованного

управления.

случае

сильного

взаимовлияния целевых

параметров

процесса

или наличия

ограничений

на

регулируемые

регулирующие

параметры

используется

многосвязное регулирование.

В результате изменения условий эксплуатации, экономической конъюнктуры, изменения

состава оборудования возникает зада оптимизации технологического процесса на

базе статической модели технологического процесса и экономических данных,

(затраты и стоимость продукта). Целью оптимизации является минимизация

эксплуатационных расходов или максимизация операционной прибыли

Верхним уровнем системы управления

.М

всего

является планирование деятельности

предприятия и диспетчерское управление. Планирование осуществляется на

основе ограничений оборудования, загруженности хранилищ, прогнозов продаж и

работы других предприятий.

Литература

for Scientists and

ström, K. J., and R. M. Murray, Feedback Systems: An Introductionи

Engineers, Princeton University Press, Princeton, NJ, 2008.

Blevins T., and M. Nixon, Control Loop Foundation—Batch and Continuous Processes,

ISA, Research Triangle Park, NC, 2011.

Love

J., Process

automation handbook

– A

guide to theory and practice, Springer,

London, 2007.

)

Mayr, O., The Origins of Feedback Control, MIT Press, Cambridge, MA, 1970.

Seborg, D., Edgar, T., Mellicamp, D., & Doyle III, F. (2011). Process Dynamics and Control

(3rd Edition). In John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1007/s13398-014-0173-7.2

(

2020 г., РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, каф. АТП, Барашкин Роман Леонардович

Соседние файлы в папке Лекц

#
06.06.2021430 б35video.rtf
#
06.06.20218.51 Mб36What_is_a_PID_Controller.mp4
#
06.06.202115.79 Mб57Автоматизация технологический процессов.mp4
#
06.06.202119.32 Mб51Базовые понятия автоматизации.mp4
#
06.06.202182.26 Mб45Л1 Введение в автоматизацию.ppsx
#
06.06.2021917.75 Кб57Л1 Текст.pdf
#
06.06.202110.93 Mб48Л2 Этапы проектирования автоматизированных систем управления, презентация.ppsx
#
06.06.20211.02 Mб67Л2 Этапы проектирования автоматизированных систем управления, текст.pdf
#
06.06.2021382.62 Кб53Л3 Автоматизированные системы управления процессами сепарации.pdf
#
06.06.20211.88 Mб53Л3.2 Автоматизированные системы управления процессами теплообмена.pdf
#
06.06.2021447 б46Последовательность пуска аппарата воздушного охлаждения в работу.rtf