Координированное управление сложным технологическим процессом: На примере нефтеперерабатывающего производства

Нефтеперерабатывающая промышленность в нашей стране была создана в 1950;1980;е годы. В условиях роста добычи нефти и роста потребления топочного мазута в теплоэнергетике, технологическая база нефтепереработки в советский период формировалась без достаточного развития процессов, определяющих глубину переработки нефтяного сырья и потребительские и экологические свойства нефтепродуктов.

Основу нефтеперерабатывающей промышленности России в настоящее время составляют 28 нефтеперерабатывающих заводов. Возраст большинства из них оценивается как критический. В период социализма практически каждый завод был ориентирован на определенный вид углеводородного сырья с конкретного месторождения. В настоящее время, в связи со снижением добычи нефти в России, увеличением ее экспорта и жесткой конкуренции между компаниями за распределение нефтяного сектора многие заводы вынуждены перерабатывать различные сорта нефти, смеси нефтей различных месторождений, обладающих различными свойствами и характеристиками, которые зачастую заранее неизвестны, в том числе и так называемую «давальческую» нефть. Причем это происходит в условиях жесткой конкуренции российских НПЗ не только между собой, но и с зарубежными нефтеперерабатывающими заводами, что заставляет их ужесточить требования по увеличению глубины переработки сырья и снижению до минимума затрат на выпуск продукции с мировым уровнем потребительских и экологических свойств и обеспечению эффективного использования нефтяного сырья.

На практике управление процессами переработки нефти на заводах производится оператором-технологом, который поддерживает в допустимых пределах режимные параметры в соответствии с технологическим регламентом, обеспечивая таким образом необходимые показатели качества получаемых продуктов. Такой способ управления не позволяет эффективно компенсировать влияния многочисленных возмущений на стабилизируемые показатели качества. Даже при высокой профессиональной подготовленности обслуживающего персонала при частом действии возмущающих факторов возможен выпуск некондиционной продукции. Основным возмущающим фактором при этом, как отмечено выше, является нестабильность характеристик сырья. Кроме того, в реальных условиях технологического процесса на систему воздействуют другие случайные возмущения, имеющие различную природу возникновения (изменение параметров энергоносителей, износ оборудования и выходы из строя отдельных его элементов, гидродинамические пульсации в трубопроводах, изменение условий внешней среды: температуры, влажности и т. д.). Зачастую известны лишь возможные границы таких возмущений. Несмотря на многочисленные работы в области автоматизации в настоящее время проблема обеспечения заданного качества получаемых нефтепродуктов в условиях параметрических и сигнальных возмущений не решена.

Общие подходы и методика построения автоматических систем управления технологическими процессами нефтепереработки по показателям качества продуктов разработаны в диссертационной работе на соискание ученой степени доктора технических наук Веревкина А.П.

В настоящей работе предлагается один из вариантов построения систем нижнего уровня с использованием методов координированного управления технологическими процессами по расчетным соотношениям между управляемыми координатами локальных подсистем с коррекцией их в динамике по динамической модели показателей качества. Использование такого решения позволит обеспечить заданные показатели качества получаемых нефтепродуктов на переходных режимах, обусловленных воздействием сигнальных и параметрических возмущений.

Работа выполнена на кафедре «Информатики» УГАТУ и в ОАО Новоуфимский НПЗ. Решаемые в диссертационной работе вопросы являются составной частью исследований, проводимых кафедрой «Информатики» Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997;2000 годы», гранта министерства образования РФ «Оптимизация кибернетических многомерных систем управления на основе системного подхода», а также в рамках совместных работ по созданию и внедрению на АО НУНПЗ новых информационно-управляющих систем.

Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является разработка методов и структурных решений для синтеза алгоритмов координированного управления сложным технологическим процессом в условиях неопределенности на примере нефтеперерабатывающего производства. Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка метода синтеза локальных подсистем управления в условиях интервальной параметрической неопределенности, локальных подсистем.

2. Разработка методов синтеза координированного управления выходными координатами динамических объектов, обеспечивающих поддержание заданных функциональных соотношений между выходными координатами на уровне системы в целом.

3. Исследование эффективности разработанных методов и структурных решений применительно к оперативному управлению первичными процессами нефтеперерабатывающего производства с целью стабилизации заданных показателей качества получаемых продуктов.

Научная новизна.

1. Предложен оптимизационный метод синтеза систем управления динамическими объектами в условиях интервальной параметрической неопределенности, являющийся развитием метода обратных операторов применительно к рассматриваемому классу систем. Метод обеспечивает минимальный разброс динамических свойств замкнутых систем в условиях изменения коэффициентов динамического оператора объекта в заданных интервалах. Это позволяет обеспечить высокую точность поддержания заданных значений совокупности управляемых координат, связанных между собой функциональными соотношениями. Достоинством метода является его универсальность (т.е. возможность его применения как для детерминированных объектов, так и для объектов с интервальной параметрической неопределенностью), строго формализованный подход к выбору корректирующих устройств в сочетании с достаточно простой процедурой их вычисления. Рассмотрены особенности применения предложенного метода для синтеза систем с одной и двумя структурными степенями свободы.

2. Предложен оптимизационный метод определения верхних и нижних границ расположения АФХ объекта управления при изменении коэффициентов динамического оператора объекта в заданных интервалах. Предельные передаточные функции объекта с интервальной параметрической неопределенностью, соответствующие этим границам, являются исходной информацией для синтеза систем управления в условиях интервальной параметрической неопределенности с помощью предлагаемого оптимизационного метода.

3. Разработан упрощенный вариант предложенного ранее оптимизационного метода синтеза систем управления объектами в условиях интервальной параметрической неопределенности, основанный на использовании логарифмических амплитудно-частотных характеристик. К его достоинствам следует отнести формализованный подход к выбору параметров базового режима неизменяемой части системы, удобную процедуру аппроксимации иррациональных выражений дробно-рациональными передаточными функциями, расширение областей гарантированных запасов устойчивости и обеспечение заданных показателей качества управления для любых допустимых сочетаний значений параметров объекта.

4. Исследована эффективность предлагаемых методов к обеспечению заданных функциональных соотношений на уровне локальных подсистем на примерах синтеза интервальных систем с одной и двумя структурными степенями свободы.

5. Предложены структурные решения системы координированного управления как однотипными так и неоднотипными локальными подсистемами, заключающиеся в организации дополнительных обратных связей по ошибкам координации, что принципиально позволяет обеспечить высокое качество координации при действии на систему как параметрических, так и сигнальных возмущений.

6. Определены условия устойчивости рассматриваемого класса систем координированного управления, показана возможность применения в контурах координации звеньев бесконечно большим коэффициентом усиления. Разработана методика синтеза передаточных функций устройств координации, обеспечивающих требуемое качество функционирования системы как по выходным координатам локальных подсистем, так и по ошибкам координации при действии на систему как параметрических, так сигнальных возмущений.

7. Предложена нейросетевая реализация алгоритмов координированного управления, основанная на использовании однослойных (для однотипных подсистем) и двухслойных (для неоднотипных подсистем) динамических нейросетей персептронного типа, позволяющие реализовать в дискретной форме физически нереализуемые в непрерывном виде передаточные функции устройств координации. Кроме того, нейросетевые алгоритмы позволяют обеспечить устойчивость системы для более широкого класса как однотипных, так и неоднотипных локальных подсистем, в том числе и для подсистем, обладающих существенными инерционными свойствами.

8. Исследована эффективность предложенных технических решений, алгоритмов и методик на примерах синтеза систем координированного управления однотипными и неоднотипными локальными подсистемами.

9. Исследована эффективность предложенных технических решений, алгоритмов и методик на примерах синтеза систем координированного управления вакуумной колонной установки АВТМ Новоуфимского НПЗ.

Практическая значимость и внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы в качестве методики внедрены в институте проблем нефтехимпереработки АН РБ и инженерном центре нефтехимпереработки «ИНТЭКО», которая выполняет расчетно-исследо-вательские и проектно-конструкторские работы для нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов Башкирской нефтехимической компании. В частности, в настоящее время представленная методика используется при реконструкции установки АВТМ-9 и модернизации системы управления этой установки на Новоуфимском нефтеперерабатывающем заводе. Указанные работы ведутся ООО инженерным центром «ИНТЭКО» и в настоящее время находятся на стадии проектирования, определено конструктивное лицо и структура системы управления. Применение данных результатов позволяет обеспечивать заданные соотношения, следовательно физические показатели качества боковых отборов ректификационных колонн в динамических режимах. и.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на:

1. Республиканская научно-техническая конференция «Проблемы авиации и космонавтики и роль ученых в их решении», Уфа, УГАТУ, 1998.

2. Третья Международная научно-практическая конференция «Математические методы и компьютеры в экономике». Пенза, 1998.

3. Новые технологии управления движением технических объектов. Сборник трудов научно-техническая конференция. Новочеркасск, 1999.

4. Третий Сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике, посвященный памяти JI.C. Соболева. Новосибирск, 1998.

5. 12-е Международное совещание по интервальной математике. Красноярск, 1997.

6. 10-я Международная конференция «Коммерческий учет энергоносителей». С.-Петербург, 1999.

7. 11-я Международная конференция «Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара». С.-Петербург, 1999.

Публикации.

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, из них — 4 статьи, 7 тезисов докладов. Кроме того, имеются научно-технические отчеты.

Структура и объем работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть содержит 140 страниц машинописного текста и 39 рисунков. Список использованной отечественной и зарубежной литературы включает 91 наименований.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе: 1. Предложен оптимизационный метод синтеза систем управления динамическими объектами в условиях интервальной параметрической неопределенности, являющийся развитием метода обратных операторов применительно к рассматриваемому классу объектов. Метод обеспечивает минимальный разброс динамических свойств замкнутых систем в условиях изменения коэффициентов динамического оператора объекта в заданных интервалах, что позволяет обеспечить высокую точность поддержания заданных значений совокупности управляемых координат, связанных между собой функциональными соотношениями. Рассмотрены особенности применения предложенного метода для синтеза систем с одной и двумя структурными степенями свободы. Предложен оптимизационный метод определения верхних и нижних границ расположения АФХ объекта управления при изменении коэффициентов динамического оператора объекта в заданных интервалах. Предельные передаточные функции объекта с интервальной параметрической неопределенностью, соответствующие этим границам, являются исходной информацией для синтеза систем управления в условиях интервальной параметрической неопределенности с помощью предлагаемого оптимизационного метода.

2. Разработан упрощенный вариант предложенного оптимизационного метода синтеза систем управления объектами в условиях интервальной параметрической неопределенности, основанный на использовании логарифмических амплитудно-частотных характеристик.

3. Предложены структурные решения системы координированного управления как однотипными так и неоднотипными локальными подсистемами, заключающиеся в организации дополнительных обратных связей по ошибкам координации, что принципиально позволяет обеспечить высокое качество координации при действии на систему как параметрических, так и сигнальных возмущений. Определены условия устойчивости рассматриваемого класса систем координированного управления, показана возможность применения в контурах координации звеньев с бесконечно большим коэффициентом усиления. Разработана методика синтеза передаточных функций устройств координации, обеспечивающих требуемое качество функционирования системы как по выходным координатам локальных подсистем, так и по ошибкам координации при действии на систему как параметрических, так и сигнальных возмущений.

4. Предложена нейросетевая реализация алгоритмов координированного управления, основанная на использовании однослойных (для однотипных подсистем) и двухслойных (для неоднотипных подсистем) динамических нейросетей персептронного типа, позволяющие реализовать в дискретной форме физически нереализуемые в непрерывном виде передаточные функции устройств координации. Кроме того нейросетевые алгоритмы позволяют обеспечить устойчивость системы для более широкого класса как однотипных, так и неоднотипных локальных подсистем, в том числе и для подсистем, обладающих существенными инерционными свойствами.

5. Исследована эффективность предложенных технических решений, алгоритмов и методик на примерах синтеза систем координированного управления однотипными и неоднотипными локальными подсистемами.

6. Исследована эффективность предложенных технических решений, алгоритмов и методик на примере синтеза системы координированного управления вакуумной колонной установки АВТМ Новоуфимского НПЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе разработаны методы и структурные решения для синтеза алгоритмов координированного управления сложным технологическим процессом в условиях неопределенности и действия широкого класса возмущений как на сам процесс, так и систему управления процессом на примере нефтеперерабатывающего производства. Полученные результаты внедрены в инженерном центре нефтехимпереработки «ИНТЭКО» (г.Уфа), в Башкирском научно-исследовательском институте нефтепереработки (БашНИИНП) и используются при проектировании систем управлений технологическими процессами.