CC BY
11
УДК 681.5
Камынин В.А., Санаева Г.Н., Пророков А.Е., Богатиков В.Н.
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СИТУАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА АЦЕТИЛЕНА
Камынин Вячеслав Андреевич, студент 3 курса бакалавриата факультета кибернетики;
Санаева Галина Николаевна, старший преподаватель кафедры вычислительной техники и информационных
технологий, e-mail: gsanaeva@nirhtu.ru;
Пророков Анатолий Евгеньевич, к.т.н., доцент кафедры вычислительной техники и информационных технологий;
Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, Россия 301665, Тульская область, г. Новомосковск, ул. Дружбы, д. 8
Богатиков Валерий Николаевич, д.т.н., профессор, профессор кафедры информационных систем, Тверской государственный технический университет, Тверь, Россия
В работе предложена двухуровневая система управления процессом получения ацетилена окислительным пиролизом природного газа с учётом обеспечения его технологической безопасности, верхний уровень которой обеспечивает безопасность протекания процесса определением заданий регуляторов локальных контуров управления нижнего уровня в соответствии с правилами нечеткого вывода.
Ключевые слова: ацетилен, окислительный пиролиз, технологическая безопасность, нечеткое регулирование, система управления.
DEVELOPMENT OF THE SYSTEM OF THE SITUATION CONTROL OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF PRODUCTION OF ACETYLENE
Kamynin V.A., Sanaeva G.N., Prorokov A.E., Bogatikov V.N.*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Novomoskovsk, Russia
* Tver State Technical University, Tver, Russia
The paper proposes a two-tier process control system for the production of acetylene by oxidative pyrolysis of natural gas, taking into account its technological safety, the upper level of which ensures the safety of the process by determining the tasks of the regulators of the local lower control loops in accordance with fuzzy inference rules.
Keywords: acetylene, oxidative pyrolysis, process safety, fuzzy regulation, control system.
Производство ацетилена окислительным пиролизом природного газа из-за повышенной взрыво- и пожароопасности [1] требует разработки специальных подходов к управлению в целях поддержания протекания указанного процесса в условиях обеспечения его технологической безопасности. Это обуславливает необходимость разработки системы управления указанным процессом с учетом его специфических особенностей. При синтезе системы управления процессом производства ацетилена в качестве объекта управления рассматриваются
последовательно соединённые подогреватель исходных компонентов для реакции окислительного пиролиза (природный газ и кислород) и реактор окислительного пиролиза, в котором образуется ацетилен как требуемый товарный продукт.
Переменными, определяющими безопасность протекания рассматриваемого процесса, являются [2]:
- температура газораспределительной решётки реактора, определяемая температурами метана и кислорода на выходе из подогревателя, Грет;
- содержание метана и кислорода на выходе из реактора, СО2 и ССН4 соответственно;
- температура газа пиролиза на выходе из реактора, ГГП;
- расход воды на «закалку» газа пиролиза», GВЗ.
Локальными контурами нижнего уровня
предлагаемого варианта системы управления являются (рис.1):
- стабилизация расхода метана на реакцию окислительного пиролиза (регулятор Р1) для обеспечения требуемого количества получаемого из него ацетилена как требуемого товарного продукта;
- стабилизация расхода кислорода на реакцию окислительного пиролиза (регулятор Р2) с учетом соблюдения соотношения «кислород-метан» в диапазоне, обеспечивающем максимальное содержание ацетилена в газе пиролиза и минимальное образование сажи, являющейся при этом мелкодисперсной и хорошо всплывающей, что удобно для ее последующей утилизации;
- регулирование расхода природного газа на горелку подогревателя (регулятор Р3) для обеспечения требуемой температуры природного газа на выходе из подогревателя;
- регулирование расхода воды на «закалку» (регулятор Р6) для обеспечения требуемой температуры газа пиролиза на выходе из реактора.
Особенностью процесса окислительного пиролиза является то, что контроль температур требуемых потоков производится автоматически постоянно, в то время как контроль состава газа
пиролиза для определения содержания метана, кислорода и ацетилена в газе пиролиза производится периодически (1 раз в час), поэтому не вся информация о состоянии объекта регулирования может быть получаема постоянно. Из этого следует, что для объекта управления только 1 раз в час может быть получена информация, на основании которой определяется область безопасности его функционирования [2]. При этом формируется вектор У, представляющий собой общую выходную векторную координату системы управления. Вектор У включает в себя элементы, определяющие близость параметров, определяющих безопасность протекания процесса (5С02, 5ССя4, 57т, (^вз -
возможность появления взрывоопасных сочетаний компонентов в газе пиролиза и опасного превышения его температуры), к соответствующим границам области безопасности и концентрация ацетилена СС2Н2 как требуемого товарного продукта. Таким образом, значения вектора У поступают на вычислительное устройство (ВУ) после определения области безопасности с периодичностью 1 раз в час (рис. 1), где сравниваются с соответствующими значениями, рассчитанными по математической модели процесса [2]. Функционирование объекта управления и расчет по математической модели в течение часа осуществляются независимо друг от друга - до поступления новых сведений с объекта.
Рис.1. Двухуровневая система управления процессом окислительного пиролиза природного газа
Рассогласования значений, полученных с объекта и по математической модели, поступают на входы нечетких регуляторов Р4, Р5 и Р6, которые вырабатывают задания для расходов метана, кислорода и воды на «закалку» газа пиролиза. При этом регулятор Р3 работает практически в непрерывном (аналоговом) режиме, поскольку контроль температуры газораспределительной решетки осуществляется постоянно.
Верхний уровень является основным с точки зрения обеспечения технологической безопасности: он осуществляет расчет заданий для регуляторов нижнего уровня с учетом положения рабочей точки процесса.
Поскольку функционирование реального
процесса происходит под постоянным воздействием случайных возмущений, синтез регулятора для верхнего уровня системы управления целесообразно проводить с использованием аппарата нечеткой логики. При этом определяются следующие лингвистические переменные: «расход природного газа на горелку», «расход природного газа на реакцию», «расход кислорода на реакцию», «содержание метана в газе пиролиза», «содержание ацетилена в газе пиролиза», «содержание кислорода в газе пиролиза», «температура газа пиролиза», «расход воды на «закалку» газа пиролиза».
При нахождении рабочей точки процесса в области, определяемой значениями «MIDDLE» или «HIGH» для переменных 5СО2, 5ССН4, «MIDDLE» для
переменных 57т и 57реш, «HIGH» для переменной СС2Н2 достаточно стабилизировать имеющиеся значения управляемых переменных локальных контуров управления. Отклонения «LOW» соответствующих значений от предельных будут определять область, в которой процесс еще продолжает оставаться безопасным, но, в случае возникновения каких-либо возмущений, с высокой долей вероятности возможно превышение предельных значений соответствующих переменных. При переходе рабочей точки процесса в область, определяемую значениями «LOW» для любой из перечисленных переменных (рис.2), необходимо осуществить переход в более безопасную область («MIDDLE» или «HIGH» для соответствующих переменных) с помощью нечеткого регулирования управляющих воздействий в соответствии с правилами нечеткого вывода, полученными на основании опроса экспертов, вида:
- Если (5С02 есть «HIGH») и (СС2Н2 есть «LOW») и (5ССН4 есть «LOW») то (GO2 есть «HIGH»);
- Если (5С02 есть «HIGH») и (СС2Н2 есть «HIGH») и (5ССН4 есть «LOW») то (GCH4 есть «LOW»)
Алгоритм работы верхнего уровня системы управления, определяющего безопасность протекания процесса окислительного пиролиза, работает следующим образом:
1 - На основании сведений, полученных с объекта управления, определяется положение рабочей точки процесса: в случае ее нахождения в опасной близости к предельным значениям переменных, определяющих технологическую безопасность процесса, управление осуществляется с целью скорейшего ухода в более безопасную область. В случае нахождения рабочей точки
процесса за пределами области критических значений переменных, определяется область безопасности процесса и формируется вектор отклонений параметров, определяющих
безопасность протекания процесса, от границ области безопасности.
2 - Определяется вектор расхождений а, как отношение параметров, полученных с объекта, к значениям, рассчитанным по модели.
3 - Входным значениям модели присваиваются значения, полученные с объекта управления.
4 - Рассчитываются задания для регуляторов нижнего уровня в соответствии с правилами нечеткого вывода.
5 - Для предотвращения возможного перехода процесса в нештатную ситуацию в промежуток времени между контролем состава газа пиролиза расчет заданий регуляторов нижнего уровня производится по математической модели процесса, по результатам которого производится корректировка заданий регуляторов нижнего уровня до получения очередных значений с объекта.
Для предлагаемой структуры системы управления проведено имитационное
моделирование с целью исследования динамических характеристик качества регулирования,
обеспечиваемого предлагаемой схемой. При этом не было выявлено превышения ни по одной переменной, определяющей технологическую безопасность процесса.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ «Исследование рисков при управлении динамическими процессами в
слабоструктурированных и плохо формализуемых средах», проект № 17-07-01368.
Список литературы
1. Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. М.: Химия, 1970. 416 с.
2. Санаева Г. Н., Пророков А. Е., Богатиков В. Н. Разработка модели процесса производства ацетилена с использованием методов кусочно-линейной аппроксимации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2017. - Т. 1, № 12. - С. 24-35.
3. Палюх Б.В., Богатиков В.Н., Олейник А.Г., Алексеев В.А., Пророков А.Е. Новые технологии диагностики состояний и управления безопасностью промышленных процессов/ Методическое руководство для аспирантских и магистерских работ / Тверской государственный технический университет. Тверь. 2012. C. 60
4. Мелихов, А.Н. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой / А.Н. Мелихов, Л.С. Бернштейн, С.Я. Коровин. М.: Наука, 1990. 272 с.
