Разработка и исследование алгоритмов управления температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа

В настоящее время большое значение приобретают проблемы повышения экономической эффективности ректификационных установок, применяемых для разделения жидких смесей на чистые компоненты. Процесс ректификации широко распространён в производстве жидких топлив из нефти, синтетического каучука и полимерных волокон, в пищевой, фармацевтической' и других отраслях промышленности. современных ректификационных установках весьма остро стоит проблема адаптивного управлениям непрерывного получения-информации о свойствах параметров технологического процесса для функционирования алгоритмов адаптации. В связи с этим необходимым элементом АСУ становятся математические модели объекта управления и моделей измерительных сигналов, участвующих в алгоритмах управления и алгоритмах адаптации, позволяющие оперативно прогнозировать текущее состояние объекта управления.

Ректификационная колонна, как объект управленияпредставляет собой сложную техническую систему, имеющую ряд локальных контуров регулирования. К ним относятся контур регулирования температуры кубового остатка, контур регулирования температуры верха колонны, давления в колонне, уровня кубового остатка и др. Следует отметить, что большая часть ректификационных установок представляет собой массивные аппараты, обладающие большой инерционностью, что необходимо учитывать при разработке адаптивных алгоритмов управления. Поэтому актуальными являются вопросы количественной оценки эффективности и работоспособности адаптивных алгоритмов управления. Эти оценки можно получать методами имитационного моделирования с использованием алгоритмов визуализации процесса управления, которые значительно повышают уровень информативности и, тем самым, позволяют повысить эффективность управленческих решений. Работа выполнялась в рамках проекта РФФИ № 10−08−125-а «Моделирование переходных процессов в ректификационной колонне тарельчатого типа по текущему значению эффективности работы колонны» [97].

Целью работы является повышение качества управления процессом ректификации за счет применения адаптивных алгоритмов управления.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ технологического процессатехнических средств автоматизации и способов управления технологическим процессом ректификации и провести1 количественно обоснованный выбор критерия управления ректификационной колонной.

2. Разработать математические модели элементов системы управления, включая модели измерительной информации, которые могут достоверно характеризовать критерий управления.

3. Разработать алгоритм жесткой стабилизации температуры куба колонны.

4. Разработать. алгоритм жесткой стабилизации температуры верхней тарелки колонны.

5. Разработать алгоритм" оптимального управления температурным профилем колонны.

6. Исследовать эффективность алгоритма оптимального управления методами имитационного моделирования в условиях дрейфа характеристик объекта управления, помех измерения и качества стабилизации температуры верха и температуры низа ректификационной колонны.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы теории автоматического управления, методы имитационного и математического моделирования, методы теории случайных функций.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Предложен критерий управления температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа, который заключается в ' < 5 вычислении текущего значения невязки профиля температур, измеренного на объекте управления и профиля температур прогнозируемого по математической модели [15, 65].

2. Предложена математическая модель формирования температурного профиля по высоте колонны, которая состоит из автономной модели нижней части температурного профиля колонны, математической моделиверхней части температурного профиля колонны и модели тарелки питания,[, 13, 14, 65, 97].

3. Предложен алгоритм жесткой стабилизации нижней' точки температурного профиля колонны, отличающийся от известных алгоритмов-темчто' заданием регулятору температуры куба колонны служит измерительныйсигнал концентрации кубового остатка. Фиксация температуры куба необходима для повышения достоверности прогноза текущего значения температуры на тарелке питания [11, 12, 20].

4. Предложеналгоритм жесткой стабилизации верхней точки температурного профиля колонны, отличающийся от известных алгоритмов тем, что заданием регулятору температуры верха колонны служит измерительный сигнал концентрации1 дистиллята. Фиксация, температуры верха' так же необходима для повышения качества прогноза температуры, на тарелке питания. Независимая работа алгоритмов стабилизации верха и низа температурного профиляобеспечивает эффективную работу алгоритма оптимального управления, который идентифицирует минимальное отклонение температурного профиля по высоте колонны от модельного профиля и изменяет текущее состояние тарелки питания [9, 10, 20].

5. Предложен алгоритм оптимальногоуправления температурным профилем колонны, отличающийся от известных тем, что заданием регулятору температуры тарелки питания служит величина невязки измеренного и прогнозируемого профилей температур по высоте колонны [20,41,97].

6. Предложена методика имитационного моделирования процессов управления температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа [97].

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в следующем:

1. Разработан пакет прикладных программ для проверки адекватности моделей.

2. Разработан пакет прикладных программ для имитационного моделирования работы колонны в режиме реального времени.

3. Разработан пакет прикладных программ для визуализации процессов управления в ректификационной колонне.

4. Разработан стенд, имитирующий работу алгоритма оптимального управления температурным профилем ректификационной колонны.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в энергетике)», а именно: пункту 4 — «Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация" — пункту 5 — «Теоретические основы, средства и методы промышленной технологии создания АСУТП, АСУП, АСТПП и др." — пункту 6 — «Научные основы, модели и методы идентификации производственных процессов, комплексов и интегрированных систем управления" — пункту 10 — «Методы синтеза специального математического обеспечения, пакетов прикладных программ и типовых модулей функциональных и обеспечивающих подсистему АСУТП, АСУП, АСТПП и др." — пункту 13 — «Теоретические основы и прикладные методы анализа и повышения эффективности, надежности и живучести АСУ на этапах их разработки, внедрения и эксплуатации».

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Интеллектуальные измерительные системы в промышленности Южного региона» (г. Волжский, 2007 г.), IV Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов (г. Волжский, 2008 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов «(г. Волжский, 2008 г.), V Всероссийской научно-практической, конференции (г. Волгоград, 2008 г.), XV Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов (г. Волжский, 2009 г.), Межрегиональной конференции «Моделирование и создание объектов ресурсо-энергосберегающих технологий» (г. Волжский, 2009 г.), Шестнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г.), Семнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011 г.):

Внедрение результатов работы. Результаты работы в виде пакетов прикладных программ используются в учебном процессе в виде лабораторного практикума при изучении дисциплин «Автоматизация технологических процессов и производств», «Интегрированные системы проектирования и управления» и «Моделирование динамических систем».

Достоверность результатов исследований основана на экспериментальных данных, полученных в технологическом процессе очистки метил-трет-бутилового эфира на ОАО «Волжский Каучук» пассивными и активными методами. Эксперименты по проверке работоспособности алгоритмов управления проводились методом имитационного моделирования в условиях наиболее приближенных к реальным с учетом дрейфа характеристик и помех измерения.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе: 2 в журналах перечня ВАК, отчёт с государственным номером регистрации (грант РФФИ № 10−08−125-а). Кроме того, получен патент на полезную модель и подана заявка на изобретение.

Лично автором проведены следующие этапы научного исследования :

1. Произведен выбор критерия управления процессом ректификации по эффективности работы.

2. Разработаны математические модели нижней и верхней частей, температурного профиля колонны и проверены на адекватность. ¦

3. Разработан пакет прикладных программ для проверки математических моделей на адекватность.

4. Разработан: пакет прикладных программ для имитационного моделирования работы колонны в режиме реального времени;

5. Разработан пакет прикладных программ для визуализации процессов управления ректификационной1 колонной.

Структура и объем работыДиссертация, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка, использованной литературы, из. 102: наименованию и трех приложенийОбщий — объем работы! составляет 193 страницы, в том числе 155 рисунков и 3 таблицы.

4.4 Выводы и обсуждение результатов.

В главе методом имитационного моделирования проведена проверка работоспособности оптимального алгоритма управления колонной, в условиях совместной работы алгоритмов стабилизации верхней и нижней частей температурного профиля колонны [41, 65]. В соответствии с предлагаемой методикой моделирования процессов управления [97], которая заключается во введении блока имитации помех измерения на выходную величину объекта управления и блока вычисления критерия управления ректификационной колонной, была разработана блок-схема имитационного моделирования процесса управления колонной.

Анализ переходных процессов показал, что полученные в главе 2 математические модели температурного профиля ректификационной колонны тарельчатого типа [13, 14, 20], могут быть использованы при её оптимальном управлении по критерию минимума квадрата невязки текущего профиля температур по высоте колонны от профиля температур, прогнозируемого по математической модели [41, 65].

Управление технологическим процессом ректификации было смоделировано, так же, в масштабе реального времени с помощью программной платформы Trace Mode 5.0. При этом алгоритм визуализации состоит из двух частей: программной (FBD-блок) и графической. Графическая часть автоматизированного рабочего места представлена тремя экранами: «Мнемосхема», «Графики» и «Архив».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ технологического процесса ректификации показал, что эффективность работы ректификационной колонны определяется близостью текущего профиля изменения температур по высоте колонны к теоретическому прогнозу профиля температур. Поэтому в качестве критерия управления ректификационной колонной тарельчатого типа выбран минимум квадратов невязок текущего температурного профиля от температурного профиля, прогнозируемого по математической модели (2.1) [17,65]: где у — порядковый номер термопары по высоте колонны- / • Т3 -дискретный аналог реального времениN — количество датчиков температур, установленных по высоте колонны.

Для обеспечения функционирования этого критерия управления получено математическое описание температурного профиля ректификационной колонны в виде динамических моделей его нижней и верхней частей и статической модели тарелки питания (2.36) [13, 14, 65, 97]: ш.

5,01 • + Г7 (0 = 1,07 • Г8 — 0,28).

19,91 • + 7б (0 = 0,058 ¦ Г7 ((-1,11) ск.

У5 (0 = 0,5 ¦ (11,89 • У4 (0 +18,47 ¦ Г6 (0).

19,86 dY. it) ж г4 (о = 0,066 -Y.it-1,11).

ЛУ, и).

0,25—3~ + Г3 (0 = 0,825 • Г2 (г — 6,5).

9,528 Ж а? г + У2 (0 = 0,67 • К, (*- 22,21) Л.

V 3>

1 dY. it) сИ = 1,915-Х,(?-0,18).

Проверка адекватности математической модели температурного профиля колонны проводилась методом активного эксперимента путем снятия кривых разгона по каналам, имеющим управляющее воздействие. По каналам, не имеющим управляющего воздействия, проверка адекватности модели проводилась по данным пассивного эксперимента, т. е. путем расчета корреляционных функций.

В условиях непрерывного дрейфа статической характеристики объекта, которая представляет собой зависимость квадрата невязки между измеренным и модельным профилем температур по высоте колонны от температуры тарелки питания и носит экстремальный* характер, возникает необходимость, периодической идентификации положения рабочей' точки этой характеристики. Для решения этой задачи разработан алгоритм управления профилем температур по! высоте колонны, который позволяет отслеживать дрейф оптимального, режима и? наносить управляющее воздействие, компенсирующее этот дрейф: Работа алгоритма' управления связана с накоплением экспериментальных данных, по которым, оцениваются величины математических ожиданий' входной и выходной координаты объекта управления. Далее вычисляется оценка величины производной в рабочей точке и делается шаг по переменной управления (температура питающей тарелки) в сторону достижения экстремума (минимума), который принимается за текущее значение эффективности работы ректификационной колонны [20, 41, 65, 97].

Для управления колонной по выбранному критерию управления предлагается жесткая стабилизация нижней точки температурного профиля колонны [11, 12, 20] и жёсткая стабилизация верхней точки температурного профиля [9, 10, 20].

Способ управления положением рабочей точки нижней части профиля представлен в виде каскадной системы автоматического регулирования, в которой заданием регулятору температуры куба колонны служит температура кипения высококипящего компонента, прогнозируемая по показаниям хроматографа, установленного на линии отбора из куба колонны. Внутренний контур регулирования расхода перегретого пара обеспечивает пропорционально-интегральный алгоритм управления, предназначенный для стабилизации этого расхода. Внешний контур регулирования температуры кубового остатка обеспечивает пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор.

Способ управления положением рабочей точкиверхней части температурного, профиля колонны представлен также в виде каскадной системы автоматическогорегулирования, в которой заданием регулятору температуры верха колонны служит температура кипения низкокипящего компонента, прогнозируемая по показаниям хроматографа, установленного на линии отбора флегмы. Пропорционально-интегральный^ регулятор стабилизирует расход хладагента в дефлегматор" а командное воздействие этому регулятору формирует пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор внешнего контурапредназначенный для регулирования температуры флегмы, подаваемой вверх колонны.

Для проверки работоспособности и эффективности разработанных алгоритмов управления1 предложена методика имитационного моделирования процессов управления в условиях наиболее приближенных к реальным условиям работы объекта управления, то есть в условиях действия помех измерения и дрейфа характеристик объекта управления.

Для визуализации процессов управления ректификационной колонной создан эскизный проект с помощью программной платформы Trace Mode 5.0, содержащий операторский интерфейс (мнемосхему) и прикладную программу для обеспечения ее работы. Эскизный проект положен в основу стенда для проведения лабораторных работ по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств».

Таким образом, на защиту выносятся:

1. Критерий управления температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа [15, 65];

2. Математическая модель формирования температурного профиля по высоте колонны [13, 14, 65, 97];

3. Алгоритм управления температурным профилем по высоте колонны [20,41,97];

4. Алгоритм жёсткой стабилизации нижней точки температурного профиля ректификационной колонны [11, 12, 20];

5. Алгоритм жёсткой стабилизации верхней точки температурного профиля ректификационной колонны [9, 10, 20];

6. Методика имитационного моделирования процессов управления температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа [97];

7. Алгоритмы визуализации процессов управления температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа [17, 18, 19].