ЛекцияАИУС2011

12

Все заявки потребителей вводятся с терминалов в вычислительную систему комбината, которая осуществляет обработку всех экономических данных, включая и торговые. В зависимости от технических характеристик выпускаемой продукции, от степени загрузки производственных мощностей разных металлургических заводов комбината, их расстояния от потребителей соответствующая заявка передается определенному заводу. Там она принимается ЭВМ для краткосрочного и долгосрочного планирования и записывается в массив плана выпуска каждого сорта изделий: лист, брус, профиль, заготовка и т.п. Затем рассчитываются оптимальная производственная партия и программы работы каждого участка завода с учетом существующих заделов; эта ЭВМ на основе полученных с участков отчетов периодически выдает производственные отчеты на уровне комбината.

Через каждые 2-3 дня откорректированные краткосрочные программы передаются вычислительным системам оперативного программирования на уровне производственных участков или основного технологического оборудования. Эти ЭВМ вырабатывают управляющие воздействия, которые передаются оборудованию при помощи ЭВМ или операторов-технологов. Так, ЭВМ оперативного программирования и контроля продукции обжимного и листопрокатного станов получает и запоминает краткосрочный производственный план и оперативные данные о технических характеристиках выпускаемых сталеплавильным цехом болванок; проверяет соответствие этих данных требуемым и в случае их несоответствия принимает решение об использовании этих болванок для удовлетворения других заявок, отличных от первоначальных; вырабатывает управляющие воздействия для обработки этих болванок в соответствии с требованиями новых заявок и сообщает ЭВМ верхнего иерархического уровня об этом, а также о необходимости перепрограммирования производства болванок в соответствии с требованиями первоначальных заявок.

Сигналы о характере предстоящего воздействия на изделия, выработанные ЭВМ оперативного программирования, передаются для подсистемы, управляющей прокатным станом, так и человеку-оператору при помощи терминалов. ЭВМ прямого цифрового управления прокатным станом обеспечивает автоматическую установку клетей, оптимальное распределение нагрузки между последовательными клетями и т.д. Применением соответствующих математических моделей процесса удается улучшить точность прокатки, а также качество выпускаемых изделий и производительность прокатного стана.

ЭВМ прямого цифрового управления конверторами обеспечивают расчет на основе статических моделей их оптимальной загрузки сырьем, автоматическое регулирование температуры и содержания углерода, оптимизацию рецептур присадок и др.

1.1.2 АСУ в нефтяной и химической промышленности

На создание АСУ в нефтяной и химической промышленности оказывает влияние специфика этих процессов. Большинство химических установок можно рассматривать как множество подсистем, взаимосвязанных материальными потоками. Эти подсистемы можно разделить на две группы: 1) подсистемы, в которых происходят, как правило, экзотермические процессы преобразования сырья и которые характеризуются специфическими для данной технологии физико-химическими операциями; 2) накопительные подсистемы: в которых имеет место накопление на некоторое время, промежуточных и конечных продуктов. Материальные и тепловые балансы химических процессов оказывают большое влияние на выбор методов их моделирования и управления. Анализ по-

13

казывает, что более целесообразным является двухуровневое описание процессов: на верхнем уровне – глобальной динамической моделью материального баланса всего производства, а на нижнем уровне – детальный моделью процессов, происходящих в каждой подсистеме, с учетом ограничений, наложенных глобальной моделью на каждый подпроцесс. В связи с этим предусматривается трехуровневое управление: глобальная оптимизация, локальная оптимизация и прямое цифровое управление объектом.

Рассмотрим АСУ процесса первичной перегонки нефти. Технологическое оборудование процесса состоит из нагревателя и теплообменника, осуществляющих подогрев нефти до определенной температуры, а также перегонных колонн. Первая перегонная колонна работает при атмосферном давлении, в то время как последующие (одна или две) колонны работают при пониженном давлении (вакууме).

Основные возмущения, воздействующие на перегонную установку нефти, вызваны изменением качественных и количественных характеристик получаемого продукта, изменением качества сырья, рабочих условий нагревателя и теплообменника. Управление процессом первичной перегонки нефти осуществляется на основе использования математической модели с прогнозированием, в которой учитываются текущее состояние процесса, целевая функция оптимизации, свойственные процессу ограничения, характеристики конечных продуктов и другие возмущения, воздействующие на процесс в данный момент.

Такая система требует применения соответствующих анализаторов (датчиков плотности нефти и вязкости конечных продуктов, газовых хроматографов, анализаторов кислорода и др.).

Рассмотрим крекинг нефтяных продуктов. Это непрерывный процесс преобразования составляющих с большой молекулярной массой и высокой температурой кипения, полученных в результате первичной перегонки нефти, в нефтяные продукты с малой молекулярной массой и низкой температурой кипения (например, в бензин). При этом химическая реакция идет в присутствии катализатора. В установку входит крекингреактор, к которому подаются нефтяные продукты, полученные в результате первичной перегонки нефти, рециркуляционные нефтяные продукты из низовых укрепляющих колонн и катализатор. Основное возмущение, воздействующее на процесс, связано с изменением физических и химических свойств первичных нефтяных продуктов, поступающих в реактор. АСУ предназначена для максимализации производства бензина при наличии возмущений и постоянной подачи первичных нефтяных продуктов. На основе соответствующей математической модели определяются требуемые значения независимых управляемых переменных процесса (расход исходных нефтяных продуктов, кислорода) с учетом заданных ограничений.

С помощью измеряемых параметров процесса ЭВМ подсчитывает значения косвенных параметров (скорости образования и воспламенения остатков, циркуляционную скорость катализатора и другие данные). Для управления нефтеперегонным заводом «Элф де Грандпюи» (Франция) мощностью 5,1 млн. т, расположенным на площади в 200 га, применяется АСУ, обеспечивающая контроль 1800 параметров и регулирование 340 параметров (рис.6). В качестве регулирующих устройств используются 56 микропроцессорных регуляторов типа ТДС 200, каждый из которых предназначен для управления восьмью переменными. Предусмотрено также резервирование с помощью аналоговых устройств 64 контуров, обслуживаемых микропроцессорными регуляторами. Распределение аналоговых регуляторов по контурам регулирования с резервированием осуществляется в зависимости от ожидаемых повреждений.

Рис.6 Весь нефтеперегонных завод разделен на две зоны: западную и восточную, каж-

дая из которых управляется своей ЭВМ типа «Солар 16/65» (на рис.6 они обозначены С1 и С2), к которой подключены соответствующие системы цифрового регулирования ТДС 2000 и программируемые автоматы «Аллен Брайндлер». Предусмотрены еще две системы «Солар» для решения задач хранения и отправки готовой продукции. Пятая система «Солар» (С3 на рис. 6) используется в качестве ЭВМ вычислительного центра, а шестая система – резервная.

Рассмотрим АСУ процессом производства полихлорвинила. Для получения полихлорвинила реактор (автоклав) наполняется водой, хлорвинилом и присадками. Продолжительность реакции превращения хлорвинила в полихлорвинил от 5 до 25 ч, причем почти 90% хлорвинила превращается в полимер, а не вступивший в реакцию хлорвинил рециркулируется (рис.7). Содержимое автоклава механически перемешивается. За счет введения в оболочку автоклава воды содержимое нагревателя до нужной для реакции температуры. Цель внедрения АСУ данного процесса связана с уменьшением времени процесса полимеризации и обеспечением соответствующего качества получаемого полихлорвинила. Для организации управления процессом измеряется температура содержимого автоклава

( Т1), температуры воды на входе (Т2) и выходе (Т3) и расход охлаждающей воды (Qр).

15

Рис.7

В ходе получения полихлорвинила необходимо поддерживать температуру содержимого автоклава ниже допустимого максимального значения (Т1max) на протяжении всего времени реакции. В конце реакции среднее значение Т1, измеренное в пределах от 0 до фактического процентного содержания полихлорвинила в реакторе, не должно превышать заданного среднего значения указанной температуры, т.е.

где Т - процентное содержание полихлорвинила в автоклаве в конце реакции; - фактическое содержание полихлорвинила (независимая переменная).

Используя информацию об измеряемых параметрах процесса и математическую модель объекта, отображающую теплообмен между автоклавом и внешней средой, ЭВМ рассчитывает текущее значение параметра и теплоту реакции Нr:

= (Qp,T1, T2, T3); (19)

где W - постоянная величина, определяющая общую теплоту полимеризации (полного превращения хлорвинила).

При оптимальном управлении минимизируется время реакции, т.е.

t

dt min

при соблюдении ограничения, определяемого выражением (18). Преобразовав выражения (21) и (18), получим

17

Рис.8

Технологический процесс можно разделить на три стадии: крекинг, сжатие и разделение, которые связаны между собой последовательностью потоков и рециркуляцией. Можно выделить 4 уровня иерархии управления. На 4-м уровне осуществляется краткосрочное и долгосрочное планирование производства. Третий уровень управления служит для оптимизации соотношения различных конечных продуктов в зависимости от заявок потребителей и существующих запасов этих продуктов с целью максимизации прибыли, получаемой предприятием. На 2-м уровне управления минимизируются производственные затраты в зависимости от заданного соотношения конечных продуктов, химического состава сырья, температуры и количества пара, рециркуляцией и т.д. На этом уровне оптимизации можно выделить две задачи: долгосрочную, связанную с обработкой и анализом информации, а также с прогнозированием, которое устанавливает соотношения рециркуляции, параметры энтальпии и удельной теплоемкости в зависимости от состава входных и выходных потоков, и краткосрочную, необходимую для определения воздействий регуляторов некоторых параметров.

Наконец, на 1-м уровне осуществляется автоматическое регулирование по классическим алгоритмам отдельных параметров (давления, температуры, расхода и т.д.) и многопараметрическое управление, обеспечивающее заданные производительность и чистоту продуктов.

Сложность алгоритмов и программ увеличивается при переходе от нижних уровней управления к верхним. На 1-м уровне непрерывно работающие устройства системы осуществляют непосредственное воздействие на процесс в реальном масштабе времени. Все остальные уровни управления обеспечивают выполнение функции настройки значений некоторых параметров и выдачи задающих воздействий.