книги / Типовые задачи оперативного управления непрерывным производством

грамм, в том числе программ оптимизации. В результате решения задач оптимизации определяются значения управляемых парамет­ ров, которые должны быть доступны программам управления, а также воспроизведены оператору. Организация данных должна удовлетворять этим требованиям.

Что касается времени решения задач оптимизации, то оно обычно во много раз превышает время решения задач контроля и непосредственного цифрового управления. Требуемая частота ре­ шения задач контроля и управления значительно выше частоты решения задач оптимизации. Поэтому более низкие приоритеты при­ нимаются для задач оптимизации и они решаются в паузах между задачами контроля и управления.

на втором уровне. Такая структура использована в ряде систем

что на более мощной ЭВМ второго уровня задача оптимизации решается значительно быстрее. Кроме того, такие ЭВМ имеют спе­ циальное ПО для решения задач оптимизации, например пакеты программ математического программирования. Помимо двухуров­ невых систем интенсивно развиваются другие многомашинные си­ стемы— сети с мпкро-ЭВМ [140]. Такие сети с распределенными вычислительными функциями используются для построения исклю­ чительно гибких систем сбора информации и управления [141, 142].

Вне зависимости от структуры всей системы управления основ­

ные системы реального времени с многопрограммным режимом работы.

Для программирования задач контроля и управления исполь­ зуются специальные языки и библиотеки программ [128—139]. Эти средства разрабатываются как для широкого набора задач, кото­ рые охватывают все функции контроля и управления для сложного объекта, так и для какой-либо одной функциональной задачи, на­ пример цифрового управления [133, 138].

Языки программирования задач контроля и управления, как правило, подобны ФОРТРАНу, имеют такие же исполняемые опе­ раторы, описания и синтаксис. Эти языки содержат расширения ФОРТРАНа для работы в реальном времени, для доступа к устрой­ ствам ввода-вывода аналоговых н дискретных сигналов. Обычно имеется также библиотека программ, к которым можно обращаться

спомощью специализированного языка.

Внекоторых языках для стандартных задач прямого цифро­

контролируемых сигналов, предельные значения и т. п, К таким языкам относится, например, PROSPORO [129, 137].

Группой по стандартизации языков программирования для ис­ пользования в промышленности в 4970 г. были рекомендованы рас-

ширення ФОРТРАНа для задач управления [130]. В этой реко­ мендации стандартизуются в виде подпрограмм обращения для запуска программ в заданное время, с заданной задержкой или периодичностью, обращения к устройствам ввода-вывода аналого­ вых и дискретных сигналов (последовательно или в произвольном порядке).

Модульный принцип построения ПО получил широкое распро­ странение и без специализированного языка программирования [134]. В этом случае кроме библиотеки модулей имеются програм­ мы, организующие связи между модулями. Каждый модуль библио­

управляющих воздействий, печать таблиц и т. п. Модули имеют переменные параметры, в конкретной системе допустимы также различный состав и различная организация связей между модулями.

Параметры модулей и связи между модулями зависят от объ­ екта управления, системы сбора информации, стратегии управления, форм печати и других требований пользователя.

Связи между модулями библиотеки могут быть организованы различными способами:

а) непосредственно пользователем путем написания программ или задания соответствующей информации. В частности, програм­

зователем функциональных задач. Это приспособление к задачам пользователя осуществляется в процессе загрузки (генерации) си­ стемы без вмешательства в управляющую программу или отдель­ ные модули. Программирование сводится к заполнению бланков при генерации. На таких принципах построен ряд систем фирм Honeywell [134], Simens [132] н др.

Основное преимущество развитого внешнего ПО состоит в со­ кращении стоимости и сроков разработки ПО для конкретных си­ стем. По данным [134] стоимость и сроки разработки сокраща­ ются в 5 раз. Это достигается за счет сокращения объема програм­ мирования и даже исключения его для стандартных функциональ­ ных задач. При этом повышается и надежность функционирова­ ния систем.

Основные вопросы, привлекающие внимание при разработке специального ПО для управления, следующие:

1) способы задания конфигурации объекта управления, систе­ мы управления и стратегии управления;

2)организация доступа к базе данных как стандартных про­ грамм, так и программ, сгенерированных пользователем;

3)представление данных в различной форме на дисплее и печать документов.

В качестве исходных данных, например, в виде таблиц зада­ ются структура н параметры объекта, системы контроля, законы регулирования и их параметры. В некоторых системах можно в про­ цессе работы с пульта менять параметры v структуру в одном контуре регулирования, не нарушая нормальную работу системы по остальным контурам.

Рассмотрим более детально организацию доступа к базе дан­ ных на примере системы [134]. В области базы данных содержится вся информация о входных и управляемых параметрах. Доступ к базе данных осуществляется из программ сбора информации и управления, программ пользователя в ФОРТРАНе или Ассемблере, с пульта оператора и из программ выдачи на выходные устройства (дисплеи и телетайпы). Доступ к данным осуществляется через указывающие записи, структура которых для всех данных стан­ дартна. i

Из ФОРТРАНа IV для удобства построения программ доступ к базе данных осуществляется посредством обращения к стандарт­ ным подпрограммам, часть которых приведена в следующем списке:

дач, например: специальный набор модулей для контроля и управ­ ления, ФОРТРАН или Ассемблер для задач оптимизации или на­ писания специальных программ для конкретных систем. При этом обеспечивается простой доступ из этих программ к данным, кото­ рые обрабатываются стандартными модулями контроля и управ­ ления.

8-4. Моделирование сложных технологических схем

В последнее время разработано значительное число программ для моделирования химико-технологических производств с непрерывными и периодическими произ­ водственными процессами [143—152].

Эти программы получили большое распространение при проектировании сложных химико-технологических

схем. Основным элементом процесса моделирования на ЭВМ является расчет параметров выходных потоков агрегатов (аппаратов) по параметрам входных потоков и известной модели объекта при фиксированном режиме работы. При этом модель производства разбивается на модели отдельных аппаратов, связанных материальными и энергетическими потоками. Общая модель, как пра­ вило, рассчитывается путем последовательного просчета на ЭВМ моделей отдельных аппаратов. Математическое обеспечение включает программы (или блоки), описы­ вающие зависимости выходных потоков от входных для всех аппаратов.

Целью моделирования является расчет неизвестных параметров потоков при заданной структуре производ­ ства. В результате моделирования получают материаль­ ный и энергетический баланс всей схемы. В процессе моделирования проектировщик-исследователь оценивает полученные варианты решения, меняет параметры и структуру модели, вносит изменения в технологическую схему.

Вконечном1 итоге целью моделирования является выбор оптимальных режимов процессов и материальных потоков. Этот выбор осуществляется исследователем не­ формальными методами «а основе анализа результатов моделирования или другими программами по результа­ там моделирования.

Вдругих системах программ непосредственно ста­ вится и решается задача оптимизации параметров ма­ териальных потоков [150]. Полученные результаты ис­

пользуются для проектирования новых производств или реконструкции действующих. Некоторые программы ре­ комендуются авторами для управления. Параметры процессов, аппаратов, сырья предполагаются детерми­ нированными.

Существуют также системы программ для имитаци­ онного моделирования производства с учетом случайных факторов: сроков выполнения технологических опера­ ций, состояния оборудования, запасов, поставок сырья и поступления заказов [145]. Эти программы предна­ значены для производств, в которых некоторые (или все) процессы являются периодическими и необходимо обо­ сновать запасы промежуточных продуктов между от­ дельными технологическими процессами. В этом случае задачи распределения материальных потоков имеют

ИЗ стандартизованных аппаратов. Здесь каждый реаль* иый аппарат заменен одним условным.

денций.

В матрице процесса каждому условному аппарату соответствует строка с номером аппарата и номерами входных потоков (положительные) и выходных (отрица­ тельные) . Матрица процесса установки (см. рис. 8-2) представлена в табл. 8-5, где номера выходных потоков имеют знак минус.

Та же схема может быть записана в виде матрицы потоков, в каждой строке которой содержатся три числа: номер потока; номер аппарата, из которого этот поток выходит; номер аппарата, в который поток посту­ пает. Количество строк равно числу потоков. Внешние потоки соответствуют аппарату 0. Матрица потоков для установки (см. рис. 8-3) приведена в табл. 8-6.

Рис. 8-3. Схема установки, состоящая из стандартизо­ ванных аппаратов.

/ — смеситель; II, IVt V —разделитель; III — реактор; /—9 — номера потоков.

Матрица инцидеиций имеет число строк, равное чис­ лу аппаратов, и число столбцов, равное числу потоков. Элементы матрицы ац равны 1, если /-й поток является входным для t-ro аппарата, и —1, если /-й поток явля­

ется выходным, и Ô, если /-й поток né связан с t-м аппа­ ратом.

Рассмотрим примеры построения программ модели­ рования химико-технологических систем.

в) Расчет сложных систем [148]

Программа предназначена для расчета статических режимов сложных химико-технологических систем (СХТС), содержащих рециклы.

В основу метода расчета положен принцип разрыва рециркуляционных связей, при котором расчет статиче­ ского режима СХТС сводится к системе нелинейных уравнений

х=ср(х), где х —вектор переменных, характеризующих разры­ ваемые потоки.

Выбор множества разрываемых потоков производит­ ся с помощью алгоритма выделения циклов и минимиза­ ции суммарного количества разрываемых потоков, т. е. размерности вектора х. Система нелинейных уравнений решается итерационно. Для каждого условного аппара­ та, именуемого далее блоком, рассчитываются выходы по известным входам и заданным коэффициентам. Рас­ чет производится последовательно, начиная с разрывае­ мых и заданных потоков.

Программа состоит из двух частей: библиотеки про­ цедур и организующей -программы. Последняя является универсальной и применима для СХТС любой структу­ ры. Для расчета конкретной СХТС библиотека должна быть укомплектована процедурами расчета всех блоков данной системы. Процедура чаще всего соответствует описанию одного аппарата, но может объединить группу

описаний нескольких реальных аппаратов или же соот­ ветствовать части реального аппарата.

Входной информацией являются данные о техноло­ гической структуре СХТС (массив SD), соответствие между номерами блоков и процедур (массив TPROC), параметры блоков СХТС (массивы TKOF, KOF), вход­ ные переменные СХТС (массив ХО), начальные значе­ ния интегрируемых переменных (массив ITO). Выходной информацией служат параметры всех потоков.

Расчет состоит из двух частей: 'программа СТАН (структурный анализ) и РАСП (расчет процесса). Про­ грамма СТАН выделяет циклы и минимизирует количе­ ство разрываемых потоков, это наиболее сложная про­ грамма. После завершения работы программы СТАН в программе РАСП вычисляются величины всех потоков.

Процедуры расчета блоков имеют следующие пара­ метры: NAME(E, А, КО), где NAME — идентификатор процедуры; Е, А — массивы входных и выходных пере­ менных; КО — массив коэффициентов. К переменным относятся расходы, концентрации, давления; коэффици­ енты включают конструктивные и технологические пара­ метры аппаратов (число тарелок, толщину слоя катали­ затора и т. п.), физические константы. Обращения к про­ цедурам расчета блоков производятся в программе РАСП.

г) Моделирование предприятия линейными методами [144]

Целью моделирования является расчет статистиче­ ского режима технологической схемы предприятия, т. е. определение величии потоков. Предполагается, что все аппараты схемы описываются линейными зависимости ми выходных потоков от входных. Технологическая схе­ ма может содержать рециклы, и в этом случае общая модель будет также линейной.

Ограничения всей модели включают условия мате­ риального баланса и ограничения, вносимые моделями отдельных аппаратов. Переменными задачи являются параметры материальных потоков. Число ограничений и переменных подсчитывается программой и выдается количество ограничений, которые должны быть введены дополнительно, если это необходимо. После ввода этих ограничений решается система линейных уравнений для определения параметров потоков. В гл. 2 рассматрива­

лась аналогичная задача, где параметры материальных потоков определялись путем решения задачи линейного программирования, а целевой функцией являлась при­ быль.

Составление системы линейных ограничений является трудоемкой операцией, особенно при большой размерно­ сти. Программа позволяет автоматизировать этот про­ цесс иа основе информации о структуре и элементах технологической схемы.

Все реальные аппараты и процессы заменяются на схеме стандартными моделями.

Для описания любых технологических схем нет необ­ ходимости включать большое число типов моделей, а вы­ бирается только пять типовых моделей элементов схемы. Эти элементы схем описаны в табл. 8-7.

единением разделителей.

Предложенная стандартизация позволяет достаточно просто описывать различные схемы. Комплекс программ выполнен на машине IBM/370. Решались задачи, содер­ жащие до 900 переменных.

Рассмотренные примеры дают представление о прин­ ципах построения программ и различных алгоритмах моделирования. В [147] отмечается, что существует око­ ло 30 различных программ.

Основные функции программ следующие:

1. Ввод и вывод данных (в пакетном режиме или режиме диалога).