Разработка алгоритмов интеллектуализации системы управления реакторным блоком технологической установки каталитического крекинга на основе нечетких продукционных моделей

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

Каталитический крекинг — один из важнейших процессов нефтепереработки, существенно влияющий на эффективность работы нефтеперерабатывающего предприятия, предназначен для производства высокооктановых бензинов для авиационных, моторных и котельных топлив. Определяющим в работе установки каталитического крекинга является качество функционирования реакторного блока.

Теоретические основы, технология процесса, современные схемы и аппаратурное оформление установок каталитического крекинга представлены в работах Смирдовича Е. А., Бондаренко Б. И., Суханова В. П. В 1970;80-х г. г. Отраслевые исследования направлены на выявление эффективных технологий осуществления процесса. Вопросы управления установками каталитического крекинга и математического моделирования процессов, протекающих в реакторном блоке, рассмотрены в работах Серебрянского А. Я., Метта А. Ю. Исследование процесса регенерации закоксованного катализатора после крекинга и его моделирование — в работах Массагутова P.M.

Каталитический крекинг — это процесс, технологический режим которого зависит от характеристик сырья и катализатора, атмосферного воздуха и др., не все из которых могут быть измерены или же измеряются в лабораторных условиях, что приводит к необходимости использования в системах автоматизации управления установками опыта экспертов. На технологический процесс накладываются жесткие ограничения на диапазоны значений температуры, концентраций и давления в аппаратах реакторного блока. Одним из способов использования опыта оперативного персонала является применение для алгоритмизации задач управления математического аппарата теории нечетких множеств. С 2000 г. опубликован ряд работ отечественных авторов (Алиев P.A., Юсупбеков Н.Р.) и зарубежных (Azeem M.F., Osofisan Р.В., Taskin Н.), использующих в алгоритмах управления реакторным блоком каталитического крекинга методы нечеткой логики.

В известных способах нечеткого управления установками каталитического крекинга продукционные модели представления действий оперативного персонала, в частности функции принадлежности лингвистических переменных в импликациях, формируемые эмпирически по результатам функционирования установки за некоторый прошлый промежуток времени, не учитывают текущую, меняющуюся под воздействием возмущений, часто неконтролируемых, технологическую ситуацию, что отрицательно сказывается на качестве функционирования реакторного блока, в частности регенератора закоксованного катализатора.

В связи с этим актуальной становится задача разработки адаптивных алгоритмов, позволяющих системе управления отслеживать текущую технологическую ситуацию и формировать адекватные ей управляющие воздействия, эффективно компенсирующие неконтролируемые возмущения.

Дальнейшей интеллектуализации автоматизированных систем управления установками каталитического крекинга на основе применения алгоритмов нечеткого управления с целью повышения качества их функционирования и посвящена настоящая работа.

Объектомисследований являются процессы управления автоматизированной технологической установкой каталитического крекинга в подвижном слое катализатора гидроочищенного вакуумного газойля на нефтеперерабатывающем предприятии.

Предмет исследования — алгоритмы управления процессом каталитического крекинга на основе формализованного опыта экспертов.

Цель работы — разработка алгоритмов интеллектуализации системы управления технологическим процессом реакторного блока установки каталитического крекинга вакуумного газойля на основе нечетких продукционных моделей представления экспертных знаний с автоматическим формированием функций принадлежности для значений лингвистических переменных в условиях неполной информации.

Основными задачами, подлежащими решению, являются:

— анализ реакторного блока установки каталитического крекинга как объекта управления;

— параметрическая идентификация математической модели реакторного блока на основе экспериментальных данных с промышленной установки каталитического крекинга и исследование факторов влияющих на выход целевых продуктов;

— разработка алгоритма построения функций принадлежности лингвистических термов для фаззификации измерительной информации и формирование нечетких продукционных моделей управления регенератором;

— разработка алгоритмов нечеткого управления технологическим режимом реакторного блока с использованием нечетких продукционных моделей логического вывода и фаззифицированной измерительной информации с объекта управления;

— разработка методик вычислительного эксперимента по моделированию технологических процессов реакторного блока с целью исследования алгоритмов управления, проведение исследования алгоритмов.

Методы исследования. Исследования, выполненные в работе, опираются на теоретические основы химической технологии, методы физической химии, теории систем и теории управления, теории нечетких множеств, статистики, а также на математическое моделирование, натурный (наблюдение за режимом работы промышленной технологической установки) и вычислительный эксперимент, метод экспертных оценок.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

— разработана математическая модель процесса каталитического крекинга гидроочищенного вакуумного газойля в реакторном блоке с подвижным слоем регенерируемого катализатора, с адаптацией к режиму действующей установки, предназначенная для исследования технологического процесса и алгоритмов системы управления, оптимизации процесса крекинга;

— разработан алгоритм управления процессом регенерации катализатора, основанный на нечетких продукционных моделях представления знаний и опыта персонала по управлению реакторным блоком, отличительной особенностью которого является адаптация функций принадлежности для значений лингвистических переменных к меняющемуся под воздействием возмущений со стороны внешней среды состоянию технологического процесса;

— разработан алгоритм автоматического формирования функций принадлежности для значений лингвистических переменных по текущей четкой измерительной информации о значениях технологических переменных процесса регенерации катализатора, предназначенных для применения в алгоритме нечеткого управления, основанный на модели автоматической нечеткой классификации.

Практическое значение работы.

Алгоритмы нечеткого управления и их компьютерная реализация приведены к виду, позволяющему интегрировать их по протоколу ОРС DA (OLE for Process Control Data Access) и применять в действующей промышленной автоматизированной системе в супервизорном или автоматическом режиме.

Разработанные методики построения адаптивных нечетких продукционных моделей представления экспертных данных и параметризации математической модели по экспериментальным данным технологического режима реакторного блока предназначены для применения в подразделении нефтеперерабатывающего предприятия, осуществляющего инженерно-исследовательскую поддержку действующих технологических установок.

Разработанные методики и программное обеспечение применяются в учебном процессе кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Математическая модель и система нечеткого управления могут быть использованы также в тренажере для обучения персонала установки каталитического крекинга.

Основные положения диссертации могут быть применены в интеллектуальных системах управления процессами химических и других производств.

Реализация результатов работы.

Разработанные методики и алгоритмы системы нечеткого управления приняты к использованию в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», используются в учебном процессе кафедры «Автоматизация технологических процессов и производств» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

На защиту выносятся:

— математическая модель реакторного блока установки каталитического крекинга и методика ее адаптации к условиям технологического режима промышленной установки;

— алгоритм автоматического формирования функций принадлежности для представления значений лингвистических переменных на основе «исторических» данных функционирования АСУ ТП установки каталитического крекинга;

— алгоритм нечеткого управления, основанный на применении нечеткой продукционной модели представления экспертных знаний об управлении технологическим процессом и фаззифицированной измерительной информации с объекта управления.

Достоверность результатов и выводов работы подтверждается корректным применением для их обоснования аппарата известных методов исследований ряда научных дисциплин, адекватностью результатов вычислительного эксперимента на математической модели технологического процесса с алгоритмом нечеткого управления экспериментальным данным, экспериментальными данными (наблюдение) технологического режима промышленной установки каталитического крекинга, управляемой оператором-технологом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях:

XIX международной научной конференции ММТТ-19 (г. Воронеж 2006), XXII международной научной конференции ММТТ-22 (г. Псков 2009), XXIII международной научной конференции ММТТ-23 (г. Саратов 2010), 2-ом международном форуме «Актуальные проблемы современной науки» (Самара 2006), 3-ем международном форуме «Актуальные проблемы современной науки» (Самара 2007).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, заключения, списка литературы из 100 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит .38 рисунков.

4.5.Выводы.

Выполнена программная реализация алгоритма управления реакторным блоком установки каталитического крекинга.

С использованием результатов имитационного моделирования проведена корректировка базы правил, оценена работоспособность алгоритма управления при внесении внешних возмущений со стороны изменения состава сырья, сопровождающегося изменением концентрации кокса, откладывающегося на катализаторе после реакции крекинга, и температуры атмосферного воздуха с изменением его плотности.

Предложен вариант интеграции алгоритма управления в действующую систему управления технологической установкой каталитического крекинга.

Алгоритм управления реакторным блоком подготовлен для инсталляции в АСУ ТП действующей промышленной установки с целью опытной эксплуатации, тестирования и коррекции, при необходимости, правил логического вывода по дополнительным экспертным оценкам и результатам вычислительного эксперимента на математической модели реакторного блока, периодически адаптируемой к текущему состоянию блока.

При инсталляции алгоритма управления РБ в систему управления установки предлагается использовать его первоначально в качестве советчика оперативному управляющему персоналу установки.

Разработана функциональная схема иерархического распределенного по функциям управления реакторным блоком технологической установки.

Заключение

.

1. В результате анализа литературных источников по технологии и алгоритмам управления процессами каталитического крекинга нефтяных фракций и крекингу вакуумного газойля в подвижном слое катализатора, в частности, а также анализа данных о функционировании промышленной установки определены входные, выходные, промежуточные и управляющие координаты объекта управления, основные возмущающие воздействия, влияющие на технологический процесс.

2. Сформулирована задача управления промышленным автоматизированным процессом каталитического крекинга как задача максимизации выхода целевого продукта (бензина) при ограничениях, накладываемых на координаты объекта управления в условиях неконтролируемых возмущений и периодического контроля показателей качества сырья и продуктов установки.

3. Для исследования процесса выбрана и параметрически адаптирована к технологическому режиму действующей промышленной установки математическая модель реакторного блока.

4. Разработана процедура адаптации математической модели реакторного блока к технологическому режиму установки.

5. Результаты моделирования показали, что задачу максимизации выхода бензина можно свести к задачам стабилизации на оптимальном уровне температуры ГПС после реактора и автоматизации управления процессом регенерации закоксованного катализатора.

6. Формализован опыт персонала, ведущего управление промышленной установкой, в виде базы правил, состоящей из нечетких логических суждений, о нечетких значениях управлений при четких измеренных значениях входных координат объекта управления.

7. Разработан адаптивный алгоритм автоматического построения по измерительной информации функций принадлежности для лингвистических значений входных и управляющих величин.

8. Предложен критерий оценки адекватности математической модели объекту управления, основанный на вычислении коэффициента корреляции (ковариация) между значениями переменных в трендах вычисленных по модели и соответствующих экспериментальных, позволяющий использовать при идентификации модели лишь минимально достаточный объем выборочных данных.

9. Предложен метод оценки требуемого количества лингвистических значений переменных, заданных на базисных множествах измеряемых технологических параметров, используемых в алгоритме нечеткого управления, основанный на анализе дифференциальных функций их распределения.

10. Разработан и исследован на математической модели реакторного блока, алгоритм нечеткого управления технологическим режимом регенератора с использованием продукционных моделей представления знаний, позволяющий использовать опыт оперативного персонала установки каталитического крекинга.

11. Разработанный алгоритм подготовлен для инсталляции в действующую на промышленной установке систему управления.

12. Предложена функциональная схема управления реакторным блоком установки каталитического крекинга, включающая нечеткий алгоритм управления регенератором и оптимизацию режима реакторного блока с применением имитационного моделирования на его математической модели.

13. Предложена функциональная схема иерархического распределенного по функциям управления технологической установкой каталитического крекинга, включающая функции оптимизации режима реакторного блока и нечеткого управления процессом регенерации.