CC BY
102
УДК 62-50
ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НЕПРЕРЫВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Г.В. Мещеряков
Объекты химической промышленности характеризуются тем, что в качестве управляющих воздействий в АСР используются расходы материальных потоков. Основным недостатком расходов как управляющих воздействий являются технологические ограничения, что не позволяет создать АСР необходимого качества. Статья посвящена созданию АСР с несколькими управляющими воздействиями. Приведены различные структуры АСР с несколькими управляющими воздействиями.
Ключевые слова: автоматизированные системы регулирования, технологический процесс, управляющее воздействие, ресурс, фильтр, структурная схема.
Нижний уровень автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) химических производств состоит из локальных автоматизированных систем регулирования (АСР) расходов, температур, концентраций, уровней, давления и т.д. [1]. Анализ АСУ ТП таких производств, как синтез метанола, синтез аммиака, синтез карбамида показал, что от 90 до 100 процентов переменных, используемых в АСР в качестве управляющих воздействий, являются расходы материальных потоков. Расходы материальных потоков как управляющие воздействия имеют ряд существенных недостатков. Это - технологические ограничения и изменение динамики объекта управления при изменении расхода в процессе управления.
Для проведения сравнительного анализа различных управляющих воздействий и возмущений, действующих на объект, приведем их к выходу объекта управления, т.е. к регулируемой переменной.
- а1 А01 / -1,...,N,
Аф ] = 1,...,М,
где АGІ - изменение /-го управляющего воздействия; ai - коэффициент усиления по /-му каналу управления; АЦ{ - изменение значения выходной переменной, вызванное изменением управляющего воздействия; А ф - изменение 7-го возмущающего воздействия; Ь7 - коэффициент усиления по_/-му каналу возмущения; А/7 - изменение выходной переменной, вызванное
изменением возмущения.
В дальнейшем Аи/ и Аfj будем называть изменениями соответственно /-го управляющего воздействия и 7-го возмущающего воздействия.
Обозначим через А/тх - максимально возможное изменение возмущающего воздействия, действующего на объект; Аитах - максимально возможное изменение /-го управляющего воздействия:
А/тах = таХ|А/т+ах [ |А/тах |},
где А/т+ах - максимально возможное отклонение возмущения, вызывающее
положительное изменение выходной переменной; А/т-ах - максимально
возможное отклонение возмущения, вызывающее отрицательное изменение выходной переменной.
Аитах = тт{Аи^ах |, ^иГ^ |},
где Аи/+тах - максимально возможное изменение /-го управляющего воздействия, вызывающее положительное отклонение выходной переменной; Аи~тах - максимально возможное изменение /-го управляющего воздействия, вызывающее отрицательное отклонение выходной переменной.
Качество локальной АСР зависит от величины отношения Аитах / А/тах. АСР работоспособна только в том случае, если Аитах / А/тах > 1. Чем больше отношение Аитах/А/тах, тем выше качество АСР. Очевидно, что технологические и динамические ограничения на управляющее воздействие оказывают сильное влияние на качество АСР [2].
ехнологические ограничения на расход: АО,Тах - максимальный расход, который может быть достигнут в данной технологической схеме при данной производительности компрессоров (насосов), АОт1п - минимальный расход технологического потока, при котором сохраняется работоспособность технологического процесса.
Динамические ограничения: АОтах - максимальный расход технологического потока, при котором АСР устойчива; АОтп - минимальный расход, при котором качество АСР удовлетворяет заданным требованиям.
Аи+ = тт{а.АОт ,а АОд },
/ тах Г/ / тах ’ / тах J 5
Аи- = тах{а АОт ■ , а АОд ■ } при а АО ■ > 0,
/тах Г/ /тт’ Ш1^ т1П ^ ?
Аи/+тах = тах{а/АО^ а/ АО/дт1п },
АиГтах = т1п{а/ АОLx, а/ АО/т1п } при а/АО/т1п < 0,
Аи/+тах - положительный ресурс управляющего воздействия,
Аи“тах - отрицательный ресурс управляющего воздействия.
Для удовлетворительной работы линейной АСР необходимо, чтобы |Аи+,ах | = |Аи/-пах |. В противном случае диапазон регулируемых воздействий
еще более сужается.
Аи, ,,х = т1п {ди;„х|,| Аи-тах |}.
Диапазон технологических ограничений можно расширить за счет снижения гидравлического сопротивления технологической схемы и увеличения мощности компрессоров (насосов). Однако это не всегда экономически оправдано.
Увеличить диапазон динамических ограничений можно за счет увеличения запасов устойчивости при расчете АСР, т.е. снижения качества регулирования.
Анализ действующих производств показал, что ресурсы управляющих воздействий в большинстве АСР невелики, т.е. Щ ш„/ DC* < 1,2. В этих условиях качество АСР при максимально возможных, а, следовательно, и наиболее опасных для технологического процесса возмущениях определяется ресурсами управляющего воздействия, а не законом регулирования, т.е. повысить качество АСР за счет использования более сложного закона регулирования невозможно.
Таким образом, при использовании линейных АСР с одним управляющим воздействием можно достигнуть только определенного качества при заданных максимально возможных возмущениях. В этих условиях при разработке линейной АСР ставится задача расширения диапазона компенсируемых возмущений при заданном качестве, либо задача достижения максимального качества при заданном диапазоне изменения возмущающих воздействий.
Другим направлением повышения качества является использование АСР с несколькими управляющими воздействиями. Входные переменные, которые будут использоваться в АСР в качестве управляющих, должны удовлетворять ряду требований: суммарные ресурсы этих переменных должны быть больше или равны требуемой величине, динамические свойства одного или нескольких каналов должны обеспечить необходимое качество регулирования.
Данные требования являются необходимым, но недостаточным условием для создания АСР. Конкретный вид структур и выбор регулятора АСР определяется комбинациями ресурсов управляющих переменных и динамических свойств каналов управления.
По величине ресурсов управляющие переменные могут быть соизмеримыми и несоизмеримыми. Соизмеримыми ресурсы являются в случае, если их величины сравнимы. Если величины одних управляющих воздействий превышают в два и более раз величины других, то такие ресурсы являются несоизмеримыми.
По виду ресурсов управляющие переменные делятся на симметричные и несимметричные. Если максимальные изменения управляющей переменной приводят к одинаковым по величине отклонениям в положительную и отрицательную сторону от номинального значения выходной переменной, то ресурсы являются симметричными, в противном случае несимметричными.
По динамическим свойствам каналов управления объекты можно разделить на две большие группы. К первой относятся объекты, у которых динамические свойства всех каналов управления позволяют создать АСР с необходимым качеством, при условии наличия у управляющих переменных необходимых ресурсов. Ко второй относятся все объекты, у которых хотя бы один предполагаемый канал управления не удовлетворяет этому требованию.
В настоящий момент разработаны структуры АСР и методики их расчета для объектов с несколькими комбинациями управляющих переменных и каналов управления.
Для первой группы объектов с симметричными ресурсами управляющих воздействий может быть использован АСР, структура которой приведена на рис. 1.
Рис.1. Группы объектов с симметричными ресурсами: g - задание; иР - управляющий сигнал с регулятора; и4 - управляющее воздействие Ь-го канала; у - выходная переменная; ЖР - регуляторс - коэффициент веса; ЖоЬ - передаточная функция объекта управления по Ь-му каналу
Примером таких объектов могут являться реакторы и смесители, в которые подаются несколько компонентов. Выходной переменной может быть концентрация вещества или температура смеси на выходе объекта, а управляющими переменными - расходы компонентов [3].
Методика расчета таких АСР заключается в следующем:
- выбираются коэффициенты веса из условия, что и/ не должно превышать пт4х, соответствующее ресурсу /-ой управляющей переменной, при максимально возможном возмущении для данного объекта. Значения коэффициента веса должны соответствовать знаку передаточной функции объекта по данному каналу управления;
- рассчитывается передаточная функция объекта;
- проводится расчет настроек регулятора одним из известных методов.
Если суммарный ресурс управляющих переменных превышает требуемый минимум, позволяющий создать АСР с необходимым качеством, коэффициенты веса с1 можно выбирать из условия минимизации технологического, экологического или экономического критерия. В этом случае
коэффициенты веса выбранные по u1max и качество АСР являются ограничениями.
Недостатком данной схемы является то, что работают одновременно все каналы управления при любых значениях возмущающих воздействий.
АСР, структурная схема которой приведена на рис. 2, лишена этого недостатка.
Рис. 2. Автоматическая система регулирования с корректирующими звеньями: Жм - корректирующее звено Ь-го канала управления;
ЛУ - логическое устройство
Методика расчета:
- производится ранжирование управляющих переменных по одному из критериев: технологическому, экономическому и т.д. В качестве основного выбирается канал, оптимальный по выбранному критерию. Ему присваивается индекс I;
- рассчитываются корректирующие устройства из условия абсолютной адекватности каналов:
Wki = WoбL, где i=1, 2, ... , п.
kiW '' 0б1
Условие абсолютной адекватности каналов заключается в следующем: каналы управления адекватны, если выполняется условие
W = W • W
п 01 п ивб гу 0б1 •
В случае невозможности технической реализации корректирующего устройства Wki - рассчитывается из условия неполной адекватности канала, т. е:
- производится расчет настроек регулятора одним из известных методов для объекта W0б = W0б1;
- составляется алгоритм управления логического устройства. Логическое устройство должно выполнять следующий алгоритм:
подает управляющий сигнал с регулятора UP на первый наиболее выгод-
ный с точки зрения выбранного критерия канал. Если ир > иртах, то величина ир - и1 подается на второй канал и т.д. Таким образом,
и _ ^Ітах + ^2тах + + ^г-ітах + АЦ\
Р К1 К2 Кг-1 К1 ’
где Я1 - коэффициент усиления ЖЛУ, в процессе управления участвует максимально возможное количество управляющих переменных.
Если не предусмотрено использование критериев для ранжирования управляющих переменных, то основной канал выбирается из условия простоты технической реализации корректирующих устройств.
Для объектов первой группы с несимметричными ресурсами управляющих переменных можно использовать АСР со структурой, приведенной на рис. 2.
Методика расчета отличается от методики при симметричных ресурсах алгоритмом логического управления. При управлении необходимо учитывать знак управляющего сигнала с регулятора, т.к. значения
и+ »и~ .
г тах г тах
Частным случаем объектов первой группы с несимметричными ресурсами являются объекты с двумя управляющими воздействиями, одно из которых позволяет изменять управляющую переменную только в сторону увеличения, а другое в сторону уменьшения от номинала. В этом случае одно из значений ресурса этих управляющих воздействий равно нулю. Структурная схема АСР такого объекта приведена на рис. 3.
Рис. 3. Группы объектов с несимметричными ресурсами
Регулятор рассчитывается для одного канала управления. Этот канал выбирается таким образом, чтобы корректирующие устройства можно было реализовать. Если выбранным каналом является канал с индексом 1, то
№„і _ 1, №„2 _^.
” 0 б 2
Логическое устройство подает ир при одном знаке на канал г-1, а при другом на канал с г-2.
Примером объекта, для которого может быть использована описанная АСР, является теплообменник. Управляемая переменная - температура
на входе объекта горячего или холодного потоков, управляющие переменные - расходы теплоносителя и хладагента. В номинальном режиме управляющие клапаны полностью открыты, т.е. управление можно осуществлять только уменьшением расходов.
Структурная схема АСР объектов второй группы с симметричными ресурсами управляющих воздействий приведена на рис. 4. Фильтр W#1 обеспечивает подачу части возмущающего воздействия, ограниченного частотным диапазоном соответствующего канала и амплитудой. Амплитуда ограничивается с помощью выбора коэффициента веса С1. Коэффициент веса С] должен обеспечить Ат > , где Ат - амплитуда возмущения,
подаваемая после фильтра на /-й канал; ЯВг - ресурс /-й управляющей переменной.
Рис. 4. Структурная схема АСР объектов второй группы
с симметричными ресурсами управляющих воздействий:
Ф - фильтр; e=g-f, где g - задание, /- значение выходной переменной у без учета работы контуров регулирования
Для того чтобы предлагаемая АСР обеспечивала компенсацию возмущающего воздействия, должно выполняться условие: суммарно амплитудно-частотная характеристика фильтра должна перекрыть амплитудночастотную характеристику возмущающего воздействия.
Передаточные функции Жкі рассчитываются из условия абсолютной инвариантности = Жі. При невозможности технической реализации корректирующего устройства, рассчитывается из условия неполной инва-
риантности. Это обеспечит независимую работу каждого канала управления.
Приведенные АСР позволяют решить задачи управления большого количества объектов химической технологии без изменения технологической схемы.
Список литературы
1. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов. Под ред. Е.Г. Дудникова. М.: Химия. 1987. 368 с.
2. Волков В.Ю., Мещеряков Г.В. Влияние управляющих воздействий на динамические свойства объекта управления // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-12: Сб. трудов Международ. науч. конф. В 5-ти т. Т.1. Новгород. гос. ун-т. Великий Новгород. 1999. С. 188-190.
3. Вент Д.П., Волков В.Ю., Мещеряков Г.В. Технологические и динамические ограничения управляющих воздействий в реальных производственных процессах // Вестник Академии: Информатика, Экология, Экономика. Том 2. Российская Академия диалектико-системных исследований и разработок, Москва. 1998. С. 110-114.
4. Тивиков А.С., Мещеряков Г.В. Инженерная настройка и моделирование ресурсосберегающей АСР с двумя управляющими переменными // Вестник Международной Академии Системных исследований. Информатика, Экология, Экономика. Том 5. Часть I. Российский хим.-технолог. ун-т им. Д.И. Менделеева, М., 2001. С. 22-29.
Мещеряков Геннадий Владимирович, process v@dialog. nirhtu. ru,
канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой процессов и аппаратов химической технологии, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева
FEATURES OF AUTOMATED CONTROL SYSTEMS OF MANUFACTURING PROCESS OF CONTINUOUS CHEMICAL PRODUCTION
G. V. Meshcheryakov
Objects of chemical industry are characterized by the control influence of material flows expenditure in automated regulation systems. The main disadvantage of expenditure as control influence is technological limitations, which can not create the necessary quality of the automated regulation systems. The article is devoted to the creation of the automated regulation systems with multiple control inputs. The different structures with several automated regulation systems control influence are shown.
Key words: automated control system, manufacturing process, control influence, resource, filter, block diagram.
Meshcheryakov Gennady, process y@dialog. nirhtu. ru, Candidate of Technical Sciences, a senior lecturer, Head of Department "Processes and devices of chemical technology", Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
