Управление технологическими процессами и производствами

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ

Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 681.5
ББК 32.966
     У67




Авторы:          _____________
Наумова Е. Г., Нажимова Н. А., Кулигина Н. О., [Мончарж Э. М.|

Рецензент: кандидат технических наук, руководитель направления программирования ООО «АСТ Инжиниринг» Песков Николай Павлович





    У67        Управление технологическими процессами и производствами :

      учебное пособие / [Наумова Е. Г. и др.]. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 208 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1442-5

           Рассматриваются вопросы разработки и использования автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами предприятий химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Большое внимание уделяется обоснованию и выбору эффективного метода управления конкретным объектом. Представлены алгоритмы программно-логического управления периодическими процессами, а также оптимизации в статике и динамике периодических процессов. Подробно рассмотрены вопросы комбинированного управления типовыми тепловыми и массообменными процессами. Рассмотрены вопросы комплексного подхода к проектированию систем управления типовыми химико-технологическими процессами.
           Для студентов направлений подготовки 15.03.04, 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств».

УДК 681.5
ББК 32.966










ISBN 978-5-9729-1442-5

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................6
ГЛАВА 1. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ........................................7
  1.1. Объекты с положительным самовыравниванием....................7
  1.2. Объекты без самовыравнивания.................................9
  1.3. Объекты с отрицательным самовыравниванием...................10
  1.4. Объекты чистого запаздывания................................13
  1.5.  Объекты с множеством технологических параметров, управляемых одним воздействием.................................................15
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ.........................................................16
  2.1. Амплитудно-импульсное регулирование параметров..............16
    2.1.1. Управление объектом чистого запаздывания................17
    2.1.2. Управление объектом с положительным самовыравниванием...18
    2.1.3. Управление объектом без самовыравнивания................19
    2.1.4. Управление объектом с отрицательным самовыравниванием...20
  2.2. Метод фиксации управляемых параметров.......................22
    2.2.1.    Фиксация параметров для объектов с положительным самовыравниванием..................................................22
    2.2.2.   Фиксация параметров для объектов без самовыравнивания.23
    2.2.3.    Фиксация управляемых параметров для объектов с отрицательным самовыравниванием..................................23
  2.3.  Оптимальное управление параметрами на основе математического программирования...................................................23
  2.4. Широтно-импульсное управление дискретными объектами.........26
  2.5. Управление по возмущению....................................28
  2.6. Комбинированное управление процессом........................32
  2.7. Нечеткое управление технологическим процессом...............34
  2.8. Цифровое управление процессами..............................38
ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ......................42
  3.1. Особенности периодических процессов как объектов управления.42
  3.2. Задачи управления периодическими процессами.................43
  3.3.  Алгоритмы программно-логического управления периодическими процессами.........................................................45
  3.4.   Программно-логическое управление реактором периодического действия...........................................................48
  3.5.  Контроль состояния исполнительных устройств при программно-логическом управлении...............................51
  3.6.  Самонастраивающийся регулятор температуры реакционной смеси на стадии химической реакции.......................................54

3

  3.7.   Управление стадией периодического процесса при завершении химической реакции..............................................57
  3.8. Комбинированное управление периодическим процессом.......64
  3.9. Статическая оптимизация периодических процессов..........73
  3.10. Оптимизация параметров периодического процесса в динамике..77
ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ........................85
  4.1. Регулирование температуры потоков........................85
  4.2. Каскадные схемы регулирования температуры потоков........87
  4.3. Управление процессом полной конденсации пара.............89
    4.3.1.    Управление процессом полной конденсации пара по отклонению...................................................89
    4.3.2.    Комбинированная система управления процессом полной конденсации пара без использования модели.......................90
    4.3.3.    Комбинированная система управления процессом полной конденсации пара на основе модели ..............................92
  4.4. Управление процессом неполной конденсации пара...........94
    4.4.1.    Управление процессом неполной конденсации пара по отклонению......................................................94
4.4.2.    Комбинированное управление давлением пара при неполной его конденсации и температурой конденсата без использования модели.....95
4.4.3.    Комбинированное управление давлением пара и температурой конденсата при неполной конденсации пара на основе модели процесса.96
  4.5. Управление процессом полного испарения...................98
    4.5.1. Управление процессом полного испарения по отклонению....98
    4.5.2.    Комбинированная система управления процессом полного испарения без модели............................................99
    4.5.3.    Комбинированное управление процессом полного испарения на основе модели...............................................100
  4.6. Управление процессом неполного испарения................102
    4.6.1. Управление процессом неполного испарения по отклонению..102
    4.6.2.    Комбинированное управление процессом неполного испарения без моделей....................................................103
    4.6.3.    Комбинированное управление процессом неполного испарения на основе моделей..............................................104
  4.7. Управление процессом нагрева продукта в трубчатой печи..106
    4.7.1.    Управление процессом нагрева продукта в трубчатой печи по отклонению..................................................107
    4.7.2.    Комбинированное управление нагревом продукта в трубчатой печи без модели................................................108
    4.7.3.    Комбинированное управление нагревом продукта в трубчатой печи с использованием модели...................................109
  4.8. Управление установкой получения пара....................111
    4.8.1. Управление установкой получения пара по отклонению......111

4

    4.8.2.    Комбинированное управление установкой получения пара без использования модели............................................112
    4.8.3.    Комбинированное управление процессом получения пара с использованием моделей............................................113
ГЛАВА 5. УПРАВЛЕНИЕ МАССООБМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ...................116
  5.1. Управление процессом абсорбции...............................116
  5.2. Управление процессом десорбции жидкости......................121
  5.3. Управление процессом десорбции гранулированного продукта.125
  5.4. Управление процессом абсорбции в неподвижном слое............129
  5.5. Управление процессом непрерывной ректификации................138
  5.6. Управление сушкой сыпучего продукта..........................144
  5.7. Управление процессом экстракционного разделения..............149
  5.8.   Управление процессом ректификационного разделения многокомпонентной смеси.............................................153
ГЛАВА 6. УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВАМИ..................................161
  6.1. Управление производством серной кислоты......................162
  6.2. Управление производством карбамида...........................167
    6.2.1. Модель дистиллятора в токе двуокиси углерода (стриппера).171
    6.2.2.    Модель процесса обычной дистилляции первой и второй ступеней  171
    6.2.3. Модель подогревателя дистилляции.........................174
  6.3. Управление производством химволокна..........................178
ГЛАВА 7. КОМПЛЕКСНАЯ РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ...............188
  7.1. Представление предметной области системы управления..........188
  7.2. Постановка задач управления процессом........................190
  7.3. Разработка функциональных схем управления объектами..........193
  7.4. Программное обеспечение системы..............................196
  7.5. Развертывание системы управления.............................199
Библиографический список............................................202

5

    ПРЕДИСЛОВИЕ


    Применяемые в настоящее время АСУТП характеризуются разнообразием решаемых задач автоматизации объектов управления, применяемых методов управления объектами и используемых в системах средств, а также высокими требованиями, предъявляемыми к качеству функционирования этих систем. В связи с этим разработка АСУТП значительно усложнилась, и актуальным для разработчиков систем управления становится обобщение информации об особенностях функционирования типовых процессов конкретных отраслей промышленности как объектов управления, о современных методах управления и подходах к выбору целесообразного метода управления для конкретного объекта. Применительно к химической промышленности характерно наличие в качестве технологических объектов управления как непрерывных, так и периодических процессов [1, 4].
    К типовым непрерывным процессам химической промышленности относится такой процесс, как многокомпонентный процесс ректификации, требующий специального подхода к его автоматизации, обеспечивающего его высокую эффективность. Аналогично ректификации процессы, сопровождающиеся экзотермической реакцией, при которой объект управления становится объектом с отрицательным самовыравниванием, также требующим специального подхода к выбору метода управления, обеспечивающего устойчивость его работы. Основной целью данного учебного пособия является не только рассмотрение современных методов управления технологическими процессами, но и целесообразности их применения для различных типовых процессов химической промышленности. При этом большое внимание уделяется анализу возможностей различных методов управления для обеспечения высокой эффективности работы технологического объекта управления.
    В учебном пособии нашли отражение вопросы синтеза систем управления некоторыми типовыми объектами химической промышленности. Следует также отметить развитие системного подхода к проектированию систем управления типовыми процессами химической промышленности с использованием унифицированного языка моделирования систем [14, 15, 16].
    В пособии представляется методика составления функциональных графических моделей систем управления технологическими процессами. Предлагаемая методика системного проектирования АСУТП предусматривает проектирование таких элементов системы, как программное, аппаратное, информационное обеспечение и развертывание всей системы целиком в тесном единстве проектирования каждого элемента системы.

6

    ГЛАВА 1. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

   Здесь мы рассмотрим не все свойства технологических процессов как объектов управления, необходимые для постановки задач их автоматизации, а только динамические, которые необходимо учитывать при выборе оптимального метода управления этим объектом. В связи с этим материал данной главы незначительно связан с отраслевыми проблемами и решения по выбору оптимальных методов управления могут быть использованы и для других отраслей промышленности.

    1.1. ОБЪЕКТЫ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ САМОВЫРАВНИВАНИЕМ

   Объекты с положительным самовыравниванием являются наиболее часто встречающимися технологическими объектами управления. Такие объекты управления являются устойчивыми по динамическим свойствам, для которых при изменении управляющего воздействия на входе объекта управляемый выходной параметр получает новое устойчивое значение за счет присущей ему отрицательной обратной связи. Типичным примером объекта с положительным самовыравниванием является процесс наполнения емкости некоторой жидкостью. Жидкость поступает в емкость через верхний трубопровод, а выходит через нижний трубопровод под гидростатическим давлением, создаваемым столбом жидкости. Данный пример объекта представлен на рисунке 1.


Рис. 1. Схема объекта с положительным самовыравниванием

    Управляющим фактором является изменение расхода поступающего в емкость потока, а свойство самовыравнивания присуще объекту по отношению к уровню жидкости в емкости. Равновесное состояние объекта наступает в том случае, когда в емкости устанавливается такой уровень жидкости, при котором расход вытекающего из емкости потока равен расходу поступающего в емкость потока. При этом уровень жидкости перестает изменяться до тех пор, пока не изменится расход входного потока.


7

    Рассмотрим математическую модель данного процесса. Модель процесса основана на уравнении материального баланса, смысл которого состоит в том, что массовый расход поступающего в емкость потока Fвх равен расходу вытекающего из емкости потока Fвых и массового расхода, идущего на повышение уровня жидкости в емкости.

Fbx = Fbbix + S ■ р ■ ^р                  (1)

где 5 - площадь зеркала жидкости;
    р - плотность жидкости;
    L - уровень жидкости;
    t - время.
    Если величина расхода выходящего из емкости потока Fвых зависит от уровня жидкости в емкости, что имеет место при свободном ее истечении, то рассматриваемый объект является объектом с положительным самовыравнива-нием. В этом случае расход выходящего из емкости потока:


Гвых — L ■д ■ p/R,                        (2)

где R - гидравлическое сопротивление трубопровода, выводящего жидкость из емкости.
    При подстановке уравнения (2) в уравнение (1) получим уравнение материального баланса для емкости, являющейся объектом с положительным само-выравниванием.

Fbx —L ■ д ■ р/R + S ■ р ■^■\                 (3)

    В качестве управляющего воздействия на рассматриваемый объект управления выберем изменение степени открытия регулирующего клапана подачи входного потока в емкость X. Тогда при наличии линейной расходной характеристики регулирующего клапана расход входного потока Fвх определяется уравнением:

Fbx — А- X,                            (4)

где А - коэффициент расходной характеристики.
    Подставим уравнение (4) в уравнение (3):

А к X — L ■ д ■ р/R + S ■ р ■ ^.              (5)

    Для приведения уравнения материального баланса (5) к каноническому виду умножим все его члены на величину (R/(g ■ р)) и введем следующие обо

8

значения: Ко = А ■ R/(g ■ р~), То = S ■ R/g. Величина К₀ - коэффициент передачи, а То - постоянная времени объекта управления.
    Канонический вид уравнения (5):

Ко ■ X(t - tz) = L(t) + т ■ dL(t)/dt,         (6)

где tz - запаздывание объекта управления.
    Применив к уравнению (6) преобразование Лапласа, получим передаточную функцию объекта с положительным самовыравниванием первого порядка с запаздыванием

W(p) = Kₒ^*/(!•„■ р + 1),                  (7)

где р - оператор дифференцирования преобразования Лапласа.



    1.2. ОБЪЕКТЫ БЕЗ САМОВЫРАВНИВАНИЯ


    У объекта без самовыравнивания отсутствует свойство регулирования выходного параметра за счет обратной связи. Так, для выше рассмотренной емкости это свойство связано с независимостью расхода выходного потока из емкости Fвых от уровня жидкости в ней, например, за счет применения насоса, поскольку в этом случае расход потока определяется производительностью насоса, а не величиной уровня жидкости в емкости. Функциональная схема объекта без самовыравнивания представлена на рисунке 2.


Рис. 2. Схема объекта без самовыравнивания

    Для объекта без самовыравнивания, так же как для объекта с самовыравниванием, справедливо уравнение материального баланса (1). Только величина расхода выходного потока является постоянной величиной, независящей от величины уровня жидкости в емкости Fвых = Fн, и равной производительности


9

насоса. Подставим в уравнение (1) расходную характеристику регулирующего клапана (4) и выражение для расхода выходного потока объекта без самовы-равнивания:


А ■ X — Fₕ + 5 ■ р ■ —. н Л at


    Уравнение (8) в приращениях переменных имеет вид:


А ■ X = 5 ■ р ■ —. р at


(8)

(9)

    Форма уравнения (9) определяется тем, что производительность насоса Fн не зависит от уровня жидкости в емкости (постоянная величина с нулевым приращением). Уравнение (9) представляет математическое описание интегрирующего звена, которое при введении обозначения Ко — А/(5 ■ р) принимает канонический вид:


Ко ■ X(t — tz) — dL/dt,


где К₀ - коэффициент передачи интегрирующего звена, tz - время запаздывания.
    Передаточная функция объекта без самовыравнивания


W(p) — Ко ■ е-***/р.




(10)

(11)


    1.3. ОБЪЕКТЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ САМОВЫРАВНИВАНИЕМ


    Примера объекта с отрицательным самовыравниванием среди емкостных объектов, в которые поступают и из которых вытекают жидкостные потоки, в природе не существует. Объектом с отрицательным самовыравниванием может быть только тепловой объект. К объектам с отрицательным самовыравниванием относятся объекты, у которых внутреннее саморегулирование не только отсутствует, но направлено на раскачивание регулируемого параметра. Пример объекта с отрицательным самовыравниванием представлен на рисунке 3.
    В реактор с рубашкой поступают два реагента, между которыми протекает экзотермическая реакция. Теплота реакции снимается хладагентом, подаваемым в рубашку реактора. Управляемым параметром является температура реакционной массы. Если для данного реактора нарушается тепловое равновесие, например, хладагентом отводится меньше тепловой энергии, чем выделяется в результате проведения реакции, то температура реакционной массы увеличивается.


10

    Увеличение температуры реакционной массы приводит к увеличению скорости химической реакции, выделению большего количества тепловой энергии и росту температуры. Таким образом, такой объект является неустойчивым и процесс в нем не может устойчиво протекать без регулятора температуры.


Рис. 3. Схема объекта с отрицательным самовыравниванием

    Поскольку управляемым параметром является температура, математическая модель данного объекта управления основывается на уравнении теплового баланса, которое для рассматриваемого объекта имеет вид

         и ■ V ■ г = Ктп ■ S ■ (Г - Гха) + FₚM ■ Срм ■ (Г - Го) + М ■ Срм ■ f. (12)

    Левая часть уравнения (12) выражает количество тепловой энергии, выделяющееся при прохождении химической реакции со скоростью U; первое слагаемое правой части уравнения (12) выражает количество тепловой энергии, передаваемой реакционной массой хладагенту, протекающему через рубашку реактора. Величины Ктп и S' в этом выражении - коэффициент теплопередачи и площадь поверхности теплопередачи рубашки реактора соответственно, величины в скобках - температуры реакционной смеси и хладагента в рубашке. Второе слагаемое правой части уравнения (12) выражает количество тепловой энергии, идущее на нагрев исходных реагентов с суммарным расходом Fрм от исходной температуры Тэ до текущей температуры реакционной смеси Т (с рм - удельная теплоемкость реакционной массы). Третье слагаемое правой части - количество тепловой энергии, идущей на нагрев или охлаждение реакционной массы, где М- масса реакционной смеси. Величины V и r - реакционный объем и удельная теплота реакции соответственно.


11

    Скорость химической реакции U при переменной температуре Т определяется показательной функцией:

U = к₀ ■ e~E/⁽RT\                   (13)

где kо - экспоненциальный множитель;
    Е - энергия активации;
    R - универсальная газовая постоянная.
    После подстановки уравнения (13) в уравнение (12) получим в качестве модели рассматриваемого объекта нелинейное дифференциальное уравнение, которое привести к каноническому виду не представляется возможным. Для того чтобы обойти это препятствие, линеаризуем уравнение (13) путем разложения экспоненциальной зависимости в ряд Тейлора до первой степени включительно.

е Е
и = к₀^е"вТн^^Етг^(Т-Тн),                  (14)

где Тя - значение температуры, около которого проводится разложение в ряд Тейлора.
    Уравнение материального баланса для реактора

FₚM=FA+FB.                          (15)

    Расходная характеристика регулирующего клапана на линии подачи в рубашку реактора хладагента:

Fxa = А- X,                         (16)

где X- приращение степени открытия регулирующего клапана.
    Уравнение теплового баланса для хладагента, подаваемого в рубашку реактора:

K.ₘ^(T-Txa')=A^Cxa\Txa-T?a').                   (17)

    Физический смысл уравнения (17) состоит в том, что количество тепловой энергии, передаваемой от реакционной массы хладагенту, расходуется на его нагрев. Из уравнения (17) может быть выражена величина температуры хладагента.

TXa ~ (Ктп ■ S ■ T + А ■ X ■ Cxa ■ Txa)/(KTₙ ■ ^ Т А ■ X ■ Cxa)- (18)


12

    Введем обозначения: В = kₒ-V-ve KT" ■ —; D = Kᵣₙ ■ S + А ■ Хн ■ сха
                                          «■-2
и подставим уравнения (14), (16), (17) и (18) в уравнение (12), которое затем перепишем в отклонениях:

     (т.?_\                           - -²                 ат
      A-cₓₐ--^)-X = (Kᵣₙ-S + FₚM-cₚM-Kᵣ²ₙ--₅--B)-r + M-cₚM--. (19)

    Приведем уравнение (19) к каноническому виду, введя обозначения:

G = КгП ■ S + FpM ■ Срм - Kr²n ■ S²/D - В;
T₀ = M- Срм/G; Ко = А ■ cXa ■ T°/(D ■ G).

    Представим его в каноническом виде с учетом запаздывания

ат
^■f-T = KcX(t-tz).                        (20)

    В уравнении (19) величина G < 0, поэтому уравнение (20) является математическим описанием объекта с отрицательным самовыравниванием. После преобразования Лапласа дифференциального уравнения (20) получим выражение передаточной функции объекта с отрицательным самовыравниванием

Мр) =К₀^-^/(To ■ р - 1).                  (21)



    1.4. ОБЪЕКТЫ ЧИСТОГО ЗАПАЗДЫВАНИЯ


    Объекты чистого запаздывания образуются на основе усилительного звена при наличии транспортного запаздывания и отсутствия инерционности. Пример схемы объекта чистого запаздывания представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Схема объекта чистого запаздывания

13