Справочник инженера по АСУТП Проектирование и разработка 2008. Справочник инженера по асутп Проектирование и разработка Учебнопрактическое пособие ИнфраИнженерия
 Скачать 6.47 Mb.
|
799 Конечно, регулятор направит корректирующее воздейст- вие на клапан и вернет температуру к заданному значению, однако на это потребуется время, в результате чего значитель- ное количество реакционной смеси выйдет из реактора R-1 при нерасчетной температуре. Первое улучшение. Первое усовершенствование системы регулирования теп- лового режима реактора состоит в том, чтобы расход пара ре- гулировался собственным регулятором расхода (См. рис. 12.8, блок FIC-05). В случае изменения давления пара регулятор расхода, действующий значительно быстрее регулятора температуры, обеспечит возврат к заданному значению расхода пара. Зада- ние регулятора расхода каскадно связано с регулятором тем- пературы на выходе реактора. При отклонении температуры продукта на выходе реак- тора от заданного значения, регулятор температуры окажет корректирующее воздействие на задание регулятора расхода в сторону его (расхода) увеличения или уменьшения. Послед- ний, в свою очередь, изменит положение клапана для увели- чения или уменьшения количества пара, поступающего в ру- башку реактора. Второе улучшение: включение в схему управления упреждающего регулятора. Управление тепловым режимом реактора можно сущест- венно улучшить путем использования регулирования по воз- мущению независимо от того, являются ли проблемы регули- рования результатом запаздывания, или же они вызваны дру- гими причинами. Регулирование по возмущению представляет собой метод, при котором учет влияния параметров, способных отрица- тельно сказаться на температуре продукта, производится до того, как им фактически представится возможность повлиять на конечный продукт. В нашем случае ключевыми параметрами при отработке возмущений являются следующие параметры: 1) Расход продукта F5; 2) Температура продукта на входе в реактор Т1; 3) Требуемая температура продукта на выходе из реакто- ра T2 SP . 800 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Эти переменные и принимаются во внимание в предла- гаемой схеме упреждающего регулирования температуры продукта - цепочка блоков TIC-01 - FFIC-05 - FFY-05 - TIC-02, в результате чего управляющее воздействие обеспечивает: • Более точное выдерживание заданной температуры продукта при изменениях нагрузки на реактор; • Существенную экономию пара за счет сбалансирован- ной подачи пара в рубашку реактора, вычисленной по достаточно простой, но, тем не менее, модели тепло- вого баланса реактора. Ниже приводится уравнение для элемента управления по возмущению FFIC-05: FF5 = К2 F5 - (Т2 - Т1) , где (12.5) FF5 - Вычисленное значение расхода пара; Т1 Температура на входе в реактор; Т2 - Температура на выходе из реактора; F5 - Расход реакционной смеси. Оценку коэффициента пропорциональности К2 можно получить из уравнения теплового баланса реактора: К2 С Р /Л, где (12.6) Ср - Теплоемкость реакционной смеси; Я - Удельная теплота парообразования / конденсации водяного пара. Дополнительное усовершенствование. Дополнительный эффект повышения устойчивости сис- темы управления температурой продукта на выходе реактора можно достичь за счет использования в алгоритме упреждаю- щего регулятора (формула 12.5) не текущей температуры на выходе реактора, а заданной. Это будет давать существенное преимущество, поскольку именно эту, заданную температуру должен иметь продукт, а не ту, что имеется на данный момент времени. Кроме того, в отличие от переменной температуры на выходе реактора, за- дание температуры меняется гораздо реже (если вообще меняется). Таким образом, модель (12.5) преобразуется к сле- дующему виду: FF5 = К2 F5 (T2 SP - Т1) , (12.7) где T2 SP - Заданная температура на выходе реактора. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 801 Полученная в результате расчета величина пропорцио- нальна количеству тепла, которое должно быть передано про- дукту, и равна требуемому расходу пара. Общий эффект. Общий эффект повышения точности регулирования дос- тигается за счет того, что к сигналу упреждающего регулятора добавляется сигнал регулирования по обратной связи, кото- рый присутствует на выходе регулятора температуры TIC-02. Суперпозиция сигналов управления по обратной связи Т1С-02 и по возмущению (блок FFY-05) используется в качестве за- дания для регулятора расхода пара FIC-05. Рассмотренные предложения не могут противоречить дей- ствующему регламенту работы установки, а ключевые момен- ты внесенных в схему управления улучшений: • Упреждающее управление дозировками и • Управление по модели теплового баланса реактора - сохраняют свое значение при любых условиях эксплуатации, и дают возможность реально обеспечить заданное качество продукта и экономию энергозатрат. Представленный алгоритм носит общий характер. На лю- бом из производств можно обнаружить множество технологи- ческих узлов, для которых алгоритм управления по упрежде- нию в сочетании с простейшими моделями материального и теплового баланса дадут не эфемерный, а вполне реальный экономический эффект. Данный алгоритм без особого труда может быть адаптирован под конкретное применение. Существуют возможности дальнейшего усовершенство- вания представленной схемы управления. Это прежде всего - управление тепловым режимом теплообменника Т1, и регули- рование уровней в емкостях Е1 и Е2 не по стоку, а по притоку. Подготовленный читатель может поэкспериментировать над схемой рис. 12.8 уже самостоятельно. Вот почему так важно готовить специалистов, способных осознавать и отстаивать принципиальную разницу между без- думной модернизацией оборудования, и методами усовершен- ствованного управления, дающими реальный эффект в повы- шении стабильности процесса, улучшении качества продук- ции, снижении энергозатрат, и обеспечении безаварийности производства. 26—3110 Исходная схема автоматизации Рис. 12.7 Усовершенствованная схема автоматизации Рис. 12.8 804 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка 12.7. Многопараметрический контроллер Традиционные промышленные контроллеры используют PID-алгоритм регулирования: на основе показаний единично- го датчика формируется единичное управляющее воздействие на исполнительный механизм (рис. 12.9). Рис. 12.9 Этот одномерный алгоритм работает вполне эффективно во множестве случаев, когда технологические переменные могут в первом приближении рассматриваться как независи- мые. Однако в реальности подобное взаимнооднозначное соот- ветствие регулируемых и регулирующих переменных является скорее исключением, чем правилом. Даже для относительно простых технологических объектов, как например, дистилля- ционная колонна, существуют тесные взаимосвязи между на- грузкой на колонну, распределением температур и давления по колонне (см. рис. 12.10). Одним из решений проблем многосвязного управления являются многопараметрические контроллеры. В идеале многопараметрический контроллер должен рас- сматривать группу традиционных условно независимых кон- туров регулирования как единое целое, и на основе текущего состояния определять наилучшие в смысле некоторого крите- рия управляющие воздействия. Строго говоря, многосвязность переменных технологиче- ского процесса - это правило, а не исключение. Как правило, при традиционном подходе к управлению проблемы взаимно- го влияния параметров процесса решаются эмпирическим пу- тем, или просто остаются на ответственности технолога- оператора. Не надо объяснять, к чему это приводит. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 805 0 - " Ч г 4 S т_Г С) Рис. /2.70 Схема управления депропанизатором (рис. 12.10) предна- значена для достижения двух главных целей: • Предотвратить уход бутана по верху колонны. • Уменьшить содержание пропана в бутане в кубе ко- лонны. Однако обе концентрации тесно взаимосвязаны между собой. Более того, они зависят от орошения, нагрузки по пару в ку- бовый ребойлер, и колебаний расхода и состава сырья. На блок-схеме (рис. 12.11) представлены взаимосвязи перемен- ных процесса. Эта статическая схема уже не представляется элементар- ной. Однако ситуация станет на самом деле серьезной, если рассматривать поведение объекта управления во времени. 806 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Рис. 12.11 Колебания состава сырья приведут к изменению состава куба быстрее, чем они проявятся по верху колонны. Как толь- ко регулятор обнаружит изменение качества кубового продук- та, он сразу скорректирует расход орошения и расход пара в ребойлер. Кроме того, контроллер должен учесть влияние этих изменений на концентрацию пропана по верху колонны. Если для управления колонной используются независимые регуляторы для управления концентрациями по верху и в ку- бе, то колонна будет испытывать долговременный переход- ный процесс из-за взаимных эффектов влияния расхода пара и орошения на концентрации по верху и по низу колонны. Этот простой пример наглядно показывает, что проблемы управления, безопасности и эффективности производства со- вершенно неразделимы. Ценой некорректного управления мо- гут быть не просто потери продукции, но угроза безопасности и здоровью. Только после рационального решения проблем управления и защиты можно переходить к решению проблем повышения эффективности. Но, к сожалению, в отечественной традиции экономические потери важнее человеческих. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 807 Задачи многосвязного управления: • Предупреждение нарушения ограничений по входным и выходным переменным; • Поддержка управляемых переменных в стабильном заданном состоянии; • Поддержка управляющих воздействий в стабильном заданном состоянии; • Предупреждение недопустимых изменений управ- ляющих воздействий; • Перевод технологического режима в наиболее выгод- ное состояние. 12.8. Упреждающее управление по модели Чтобы перевести технологический процесс в заданное со- стояние, необходимо знать, как поведет себя объект в ответ на управление. Таким образом, необходимо иметь средство для предска- зания состояния объекта в ответ на каждое изменение по вхо- дам. В идеале этим средством должна служить математиче- ская модель процесса. Имея модель, можно в реальном времени найти опти- мальные управляющие воздействия для перевода процесса из текущего состояния в требуемое состояние. Существенным элементом управления по предсказывающей модели является возможность упреждающих воздействий (feedforward control). При этом должны учитываться все ограничения по перемен- ным, и неизбежный шум. Упреждающее управление по модели (Model Predictive Control - МРС) позволяет заранее определить влияние той или иной стратегии управления на поведение объекта управления. Более того, в зависимости от отклика объекта модель может быть скорректирована. Естественно, что допустимые управляющие воздействия могут быть определены только с учетом существующих огра- ничений на допустимые диапазоны и скорости изменения тех- нологических переменных, допустимые отклонения от задан- ных значений и т.д. 808 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка На рисунке 12.12 показано, как упреждающий контроллер может на основе модели построить последовательность управляющих воздействий. Проверка адекватности Управление по модели Переменная управления Отклик модели процесса Контролируемая переменная Jime Рис. 12.12 МРС также способен управлять процессами с большими временами запаздывания и кумулятивным откликом. Меха- низм обратной связи с объектом позволяет контроллеру про- изводить обновление модели (см. рис. 12.13). | Задание CV MV • KimUUillilL'Ll Целевая функция Контроллер задает значения управляющих переменных MV Рис. 12.13 Для многомерных и многосвязных объектов этот меха- низм является определяющим. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 809 На рисунке 12.14 показано, как алгоритм предсказываю- щего управления воздействует на управляющую переменную таким образом, чтобы выдержать соответствие базовой траек- тории, и минимизировать расхождение между заданным и фактическим значением на каждом шаге решения. Рис. 12.14 Но каковы преимущества усовершенствованного управ- ления с экономической точки зрения? 12.9. Экономические преимущества внедрения АРС Очевидный и немедленный эффект внедрения усовершен- ствованного управления - гладкие, постепенные, не разру- шающие изменения в лучшую сторону. Но само по себе уменьшение разброса значений не может принести серьезного экономического эффекта. Главное, что дает уменьшение дисперсии - это возмож- ность безопасно приблизиться к граничным значениям техно- логического процесса. Как следствие - более полное исполь- зование ресурсов установки (рис. 12.15). 810 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Главной целью усовершенствованного управления явля- ется расширение возможностей управления процессом, позво- ляющее работать с большей производительностью, лучшей степенью извлечения конечных продуктов, и с учетом ограни- чений оборудования и технологического процесса. Необходимо понимать, что в данном случае речь идет не только о тривиальных регламентных ограничениях. Преиму- щества усовершенствованного управления в существенной степени определяются способностью вычислять значения и ограничения расчетного характера, которые иным способом просто не найти: • Тепловая нагрузка на печь; • Конверсия; • Степень конденсации и т.д. Существуют и не столь очевидные, но вполне реальные преимущества усовершенствованного управления. Уменьшение неоправданных потерь. Сразу следом за производительностью установки по зна- чимости следует качество продукции. Часто это приводит к тому, что продукт обладает гораздо лучшим качеством, чем это требует регламент производства. В результате материаль- ные и энергетические затраты на выпуск продукции превы- шают потенциально необходимые. АРС способно снизить планку до необходимого уровня, и тем самым сократить рас- ходы. Глава 12. Усовершенствованное управление процессом 811 Сохранение выхода ценных продуктов. В процессах нефтепереработки и нефтехимии товарная продукция часто состоит из смеси дорогостоящих и дешевых продуктов. В этой ситуации важно не перерасходовать ценные продукты более того, что требуется по техническим условиям. АРС способствует работе вблизи допустимого порога без ущерба качеству продукции. Работа на меньших давлениях. Как правило, работа колонн дистилляции на меньших давлениях означает лучшее разделение и меньшее потребле- ние энергии. Рабочее давление колонны определяется температурой по верху колонны. АРС может контролировать давление сверху и температуру флегмы, и одновременно поддерживать давление на минимально допустимом уровне. Уменьшение потребления пара. При работе колонны под пониженным давлением снижа- ются требования к расходу греющего пара в ребойлер. Уменьшение концентрации кислорода в отходящих газах. Заданная температура на выходе печи поддерживается за счет соотношения расхода избыточного воздуха или кисло- рода, и расхода топливного газа. Избыточное количество кислорода или воздуха приводит к снижению температуры на выходе из змеевиков печи, или к повышенному потреблению топлива. Даже незначительный избыток кислорода приводит к существенному снижению эф- фективности горения или потерям топлива. Это - классическая область для применения многопара- метрического регулирования. Уменьшение брака. АРС способно не только способствовать улучшению ка- чества продукта, но и избежать выпуска некачественной про- дукции. Стабилизация качества продукции уменьшает общие энергетические затраты за счет снижения расхода топлива, пара, хладагентов, электроэнергии. Уменьшение жесткости работы риформинга за счет снижения требований к октановому числу, что достигается за счет точного контроля смешения. 812 Справочник инженера по А СУТП' Проектирование и разработка Увеличение пропускной способности смесителя, по- скольку уменьшается или вовсе исключается необходимость повторного смешения. Плавное и гладкое управление означает меньшее вме- шательство оперативного персонала. Это приводит к умень- шению производственной нагрузки на персонал, поскольку усовершенствованное управление способно не только устой- чиво поддерживать процесс, но и плавно перевести на новый режим или новую рецептуру. Увеличение безопасности процесса. Стабилизация процесса означает снижение вмешательства операторов в процесс. Вероятность человеческой ошибки также резко снижается. Возникает естественный вопрос: Если преимущества усовершенствованного управления столь очевидны, то почему в отечественной практике усо- вершенствованное управление практически не использу- ется? 12.10. Основания для выбора усовершенствованного управления Чудес, по крайней мере, в системах управления техноло- гическими процессами не бывает. Один из ключевых аспек- тов, которых часто игнорируется, но является самым важным, заключается в том, что пакеты АРС нуждаются в постоянной поддержке и обслуживании. В мозгах должно прочно засесть понимание того, что усо- вершенствованные многопараметрические контроллеры нуж- даются в постоянном обслуживании точно так же, как клапан, насос или компрессор. Вопрос, насколько просто работать, обслуживать, модифицировать программный комплекс зави- сит от множества условий. Причем эти условия могут быть и в противоречии друг с другом: • С одной стороны - это жесткость, устойчивость пакета и алгоритмов настройки; • Ас другой - способность пакета адаптироваться к из- менению технологических условий. Разработчик системы управления должен обладать доста- точно высоким уровнем компетентности, чтобы дать ясный ответ на следующие вопросы: |