Разработка системы управления отделением синтеза производства винилацетата

Все возрастающие темпы потребления народным хозяйством страны поливиншгацетатных пластиков диктуют необходимость создания новых высокоэффективных и интенсификации действующих производств винилацетата (ВА) — основного исходного продукта в производствах поливинилацетатных пластиков. В соответствии с динамикой развития отрасли на период до 2000 года выпуск винилацетата намечено увеличить более чем в 6 раз.

В повышении эффективности действующих и проектируемых производств химической промышленности в решениях ХХУ1 съезда КПСС важное значение придается широкому внедрению автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Научно-технический прогресс в области теории и практики автоматизации химико-технологических систем (ХТС), появление широкой номенклатуры приборов и средств автоматизации, быстродействующей вычислительной техники и совершенных математических методов переработки информации в корне изменили системы управления. Наиболее характерным стало построение многоуровневых иерархических систем, широкое использование в системах управления цифровых вычислительных машин, человеко-машинных комплексов. Использование концепций иерархического управления позволяет значительно расширить круг задач управления, повысить эффективность систем.

Проектирование систем управления сложными ХТС является многоэтапным творческим процессом, основанным на всестороннем использовании системных принципов проектирования. Системный подход в настоящее время становится одним из центральных моментов при проектировании сложных объектов и, в том числе, систем управления ХТС, позволяющим выделять основные подсистемы исследуемого объекта, формализовать задачи, цели и функции этих подсистем и механизмы связей между ними, разрабатывать альтернативные варианты проектов, намечать последовательность действий по выбору оптимальных вариантов, по реализации проектных решений и оценке результатов их использования.

Важной характеристикой систем управления является их сложность. Усложнение систем приводит к понижению их надежности, повышению эксплуатационных затрат и стоимости системы. Из этого следует важность разработки методов проектирования систем управления с использованием формализованной оценки сложности систем.

Эта проблема в значительной мере относится также к проектированию систем автоматического регулирования (САР) технологических параметров ХТС. Совокупность САР параметров ХТС, вследствие множества прямых и обратных технологических связей между элементами ХТС, многомерности самих элементов ХТС, в общем случае представляет собой сложную многомерную систему автоматического регулирования (МСАР). Проектирование этих систем требует разработки корректных методов их декомпозиции, упрощающих процесс их синтеза без ущерба для сложности создаваемой системы.

Разработка методологии и стратегии проектирования рациональных с точки зрения сложности САР параметров ХТС является одной из задач, результаты решения которых представлены в данной работе.

Одним из главных ограничений, накладываемых на процесс проектирования при современных темпах развития промышленности, является сокращение сроков проектирования. В этих условиях особую важность приобретают вопросы создания систем и комплексов прикладных программ автоматизированного проектирования, разработки методов проектирования систем управления, ориентированных на использование вычислительных машин, математических моделей статики и динамики типовых элементов ХТС, служащих основой автоматизированного проектирования, а также алгоритмов управления и проектных решений, типовых душ определенных классов объектов. В этом отношении, вследствие однотипности структурного и аппаратурного оформления ХТС действующих и проектируемых производств ВА, разработка алгоритмов управления и математических моделей для технологических процессов этих производств имеет важное значение.

Отделения синтеза производств ВА на основе ацетилена включают в свой состав группы параллельно функционирующих реакторов, имеющих нестационарные характеристики. Разработка алгоритмов управления подобными объектами, помимо практического значения, представляет также определенный теоретический интерес.

Настоящая работа проведена в лаборатории математического моделирования Ереванского отделения ОНПО «Пластполимер» в соответствии с тематическими планами по интенсификации действующих и созданию новых высокоэффективных производств ВА на основе ацетилена, по разработке алгоритмов, программ и методологии автоматизированного проектирования систем управления сложными XTG и в соответствии с планами работ, предусмотренных целевой научно-технической комплексной программой 0.Ц.014.

Практические результаты работы в виде рекомендаций на проектирование и усовершенствование систем управления проектируемыми и действующими производствами выданы Кироваканекому НПО «Полимер-клей» и Ереванскому ПО «Поливинилацетат», в виде комплексов программ расчета статических и динамических характеристик процессов и аппаратов производств ВА, автоматизированного синтеза систем автоматического регулирования — Кироваканекому НПО «Полимерклей», Центру САПР-ХИМ в Государственном научно-исследовательском и проектном институте азотной промышленности и продуктов органического синтеза, Ереванскому ОКЕА НПО «Химавтоматика» .

Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям за постоянную помощь и ценные консультации, а также сотрудникам кафедры кибернетики химико-технологических процессов им. Д. И. Менделеева за всемерное содействие при выполнении работы.

ШВА I. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ХТС.

I.I. Системный анализ проблемы проектирования систем управления ХТС.

Под проектированием системы управления (СУ) в широком смысле подразумевается этап «жизни системы» от составления технического задания до изготовления опытных образцов и проведения опытной эксплуатации. Однако чаще, имея в виду этап предпроектной научной проработки проблемы, под проектированием понимают более узкую задачу — выбор структуры, алгоритмов функционирования и основных параметров системы. В соответствии с этим под оптимальным проектированием СУ подразумевается выбор оптимальной структуры, алгоритмов и параметров, обеспечивающих достижение цели управления с требуемым качеством [i].

Поскольку достижимое качество управления всегда ограничивается допустимой сложностью СУ, решение задачи проектирования должно обеспечить разумный компромисс между ее качеством и сложностью, косвенно характеризующей также надежность, стоимость системы [2]. Допустимые средства реализации, уровни затрат на создание и эксплуатацию системы являются основными ограничениями решения задачи проектирования СУ [3].

При проектировании многих изделий проектировщик на начальных этапах проектирования обычно располагает широкими возможностями дня выбора облика проектируемого объекта, в то время как проектирование СУ с самой начальной стадии связано с определенными ограничениями в связи с уже заданной неизменной частью системыобъекта управления. Одновременное решение задач синтеза технологической системы и СУ при всех преимуществах представляет собой трудно реализуемую задачу. Представляется, однако, что достижение удовлетворительного компромисса лежит в пределах современных возможностей, т. е. возможна эволюционная модификация технологической системы и СУ, ведущая к улучшению динамической эффективности [4−6].

Сложность решения задачи проектирования СУ ХТС, в первую очередь, обусловлена сложностью самого объекта управления. ХТСуправляемые системы, имеющие иерархическую структуру, всегда функционирующие с определенной технико-экономической целью и обладающие такими специфическими свойствами как: взаимосвязь элементов и связь с окружающей средой (в форме материальных и энергетических потоков), нелинейность преобразований потоков, сложность динамического поведения, большое число степеней свободы, подверженность влиянию большого числа возмущений и т. п. [6−8].

Сложность задачи проектирования СУ ХТС диктует необходимость привлечения системной методологии проектирования. Принципы и методология проектирования сложных систем с позиций системного подхода всесторонне изучены и изложены в трудах и монографиях академика В. В. Кафарова и др. [9−12]. Сущность системного подхода заключается в том, что система рассматривается с одной стороны как единая составная часть более общей системы, с которой она связана внешними связями, с другой — как сложная система, включающая целый ряд подсистем, тесно связанных мезду собой как потоками информации, так и общей целью функционирования.

Цели управления ХТС можно подразделить на две категории [13,14]. К первой категории относятся цели, непосредственно связанные с осуществлением технологического процесса — качество производимых продуктов, безопасность, технологические требования и т. д. Цели второй категории связаны с экономическими аспектами. Наиболее часто используемые экономические критерии эффективности ХТС представлены, например, в работах [15−17].

Глобальность целей автоматизации (максимизация прибыли, максимизация выработки и т. п.), невозможность свести управление ХТС к раз и навсегда выбранным конкретным действиям в обстановке непрерывно меняющихся экономических и технологических условий, необходимость учета стоимости управления — все это приводит, как правило, к иерархической, многослойной структуре систем управления [18]. Многоуровневая структура является наиболее характерной для современных СУ сложными ХТС [18−23].

Концепция иерархического управления дает удобную основу для развития рациональной и систематической процедуры решения задачи управления. Математически задачу управления ХТС, если не затрагивать проблемы реализации, можно сформулировать 24 следующим образом. Требуется осуществить управление.

W = WU, V," Z, t), (I.I) при котором достигалась бы максимальная эффективность, т. е.: max P (W, Z, V, V), (1.2) weW.

W={W/V = ciCW, Z, t), K (W, V, Z, V, t)^0} > (1.3) где P (0 — мера эффективности, усредненная подходящим образом по соответствующему интервалу времениЬ (-) — набор неравенствограничений, налагаемых на системуV — множество внешних входов, которые связаны с целями и ограничениями управления и носят характер устойчивых длительных возмущений (например, спецификация продукции, экономические факторы, ограничения по потребляемому сырью, и т. д.) — У= ^(W, Z, t) — модель ХТС, в которой У, W и Z — векторы выходных переменных, управляемых входов и входных возмущений, соответственноX. — множество измеряемых переменных (X=(Ym, Zm), где Ут, Zm — векторы, обозначающие измеряемые компоненты вектора выходных переменных У и вектора— входных возмущений технологического процесса Z, соответственно).

Решение задачи управления ХТС непосредственно, в форме приведенной постановки, практически не реализуемо по причине большой размерности задачи управления, сложности математических моделей процессов, сложности измерений и т. д. Формулировка (I.I) — (1.3) модифицируется следующим образом:

U = {u/y = V)^0,X = CV, Z')}. (1.5).

Здесь переменные имеют тот же физический смысл, что и ранее. Знак «прим» означает, что данный вектор или функция претерпели определенные изменения. В результате получаем управление в форме:

При этом первый уровень (прямое управление) играет роль исполнителя решений второго (оптимизирующего) уровня, выражаемых в виде вектора U = (Uv, Uw) (где Uy — вектор уставок, который через механизм обратных связей определяет подмножество компонентов вектора управляемых входов ХТС — W — оставшиеся компоненты вектора V/ определяются непосредственно вектором Uw). В результате, для первого уровня имеет место: max P4X', V, U), ueU.

1.4) u*ulX', V). i.6).

W = WtU, X"t),.

1.7) где — измерения, используемые при осуществлении прямых управляющих функций.

Модель XTG У= <^(W, Z," t) на втором уровне иерархии заменяется статической (квазистатической) приближенной моделью вида:

У' = «^(UjZ'jOC), (1.8) где — вектор адаптируемых параметров. Настройка параметров модели входит в функции третьего уровня (самонастраивающегося), что обеспечивает отражение текущего опыта функционирования системы. То есть, можно исключить из формулировки задачи те факторы, которые не имеют первостепенной значимости, имеют тенденцию изменяться медленно или же резко, поскольку могут быть скомпенсированы путем адаптации. В СУ может быть также предусмотрен четвертый уровень, выполняющий функции оценки эффективности системы и ее самоорганизации.

Таким образом, в общем случае вертикальная декомпозиция проблемы (1,1) — (1.3) приводит к четырем иерархическим уровням (в терминах теории иерархических систем — к слоям [18]), выполняющим функции прямого регулирования, оптимизации, адаптации и самоорганизации. Причем, следует отметить, что функции трех последних иерархий физически могут быть сосредоточены на одном и том же уровне СУ.

Существуют два важных свойства, вытекающих из иерархического представления задачи управления [13,24]: различные входные возмущения могут быть подавлены относительно задачи второго уровнядинамические аспекты процесса управления могут быть эффективно учтены на первом уровне, то есть на втором уровне может решаться задача статической оптимизации.

Несмотря на упрощения задачи управления, достигнутые за счет ее вертикальной декомпозиции, практическая реализация управления может быть затруднительна и слишком дорога. Ограничивающими факторами могут быть большое время вычислений, неадекватные возможности памяти используемой ЦВМ и другие. Переход к многоуровневому методу позволяет преодолеть упомянутые трудности при помощи горизонтальной декомпозиции общей задачи управления на несколько более простых подпроблем.

Горизонтальная, декомпозиция задачи управления приводит к возникновению уровня, функции которого заключаются в координации действий подсистем. Организационно в многоуровневой системе уровни иерархии определяются как эшелоны [18]. При этом функции координатора выполняет третий эшелон. Взаимодействие концепций слоев и эшелонов при описании многоуровневых систем иллюстрируется на рис. 1.1.

Горизонтальная декомпозиция СУ включает в себя проблемы декомпозиции выбранного критерия оптимизации ХТС и нахождения критериев субоптимальности подсистем, в общем случае отличающихся от критерия оптимальности всей системы. Следует отметить так же важность анализа как общего, так и локальных критериев на их чувствительность к изменению оптимизируемых переменных с учетом их статистических характеристик [25,26]. В результате такого анализа ряд переменных может быть исключен из постановки задачи.

Любая общая методология проектирования системы управления для заданной ХТС должна включать в себя методологию выбора векторов управляющих и регулируемых переменных подсистем и их объединения в замкнутую систему автоматического управления. Для решения этих проблем можно воспользоваться достаточно эффективными процедурами построения логических деревьев подзадач управления, предложенными в работе [27]. Построение логических деревьев основывается на анализе причинно-следственных связей переменных ХТС. В целом логика синтеза контуров регулирования (организации пар управляющая переменная — регулируемая перемешая) предусматриваГ L.

САМООРГАНИЗАЦИЯ.

ОБУЧЕНИЕ и илптьциа оптимитмя эшелон 3.

КООР&ШЦИЯ h J Эшелон 2 ll.

Эшелон 1.

РЕГУЛИРОВАНИЕ.

П Р О Ц, Е С.

Рис. 1.1. Иерархическое представление системы управления. ет выполнение нижеследующих процедур.

1. Устанавливаются цели регулирования 8i (i = tTh) f охватывающие всю задачу регулирования С.

2. Определяются контуры регулирования Ski. {К= f реализация которых приводит к достижению целей 9t .

Формализация процесса синтеза контуров осуществляется с помощью следующих булевых выражений:

С = FctQi, ten), (1.9).

Qi= Fe (Srl, ке-Cj), (1-Ю).

Ski= C9uiVm) UVVe), CI. II) где Vm — множество измеряемых переменных, Vfc — множество управляемых переменных,^.kl, TTkl — двоичные векторы. При выборе контуров регулирования учитываются статические и динамические характеристики объекта, анализируются возможности измерений, а также используются эвристические положения.

Выбранные множества управлений и измерений должны удовлетворять условиям управляемости и наблюдаемости. Ограниченные возможности ранговых критериев управляемости и наблюдаемости Калмана [28], выражающиеся в сложности их использования для многомерных нелинейных объектов (вследствие чего обычно осуществляется линеаризация математических описаний систем [29−32].) и их чувствительности к численным ошибкам [33,34], в последнее время побудили проведение исследований по выработке структурных критериев [35,37]. Однако последние, как и ранговые критерии Калмана, в настоящее время имеют ограниченное применение в практике проектирования СУ ХТС вследствие сложности их использования и, часто, очевидности получаемых результатов. В то же время отметим, что приведенная выше методика выбора контуров регулирования путем построения логических деревьев находится в полной согласованности с необходимыми условиями структурных критериев управляемости и наблюдаемости.

Эффективность функционирования многоуровневых систем во многом зависит от эффективности систем автоматики нижнего иерархического уровня, осуществляющих функции регулирования и контроля технологических параметров. Поэтому проблема оснащения создаваемых СУ эффективными средствами автоматизации на нижнем уровне управления является одной из важнейших.

Рассматривая пути повышения качества регулирования химических процессов, в работе [38] делается вывод, что эта задача, наряду с созданием динамически организованных технологических процессов, должна решаться путем более широкого использования адаптивных и многосвязанных систем управления.

Требования к качественным показателям функционирования САР технологическими параметрами ХТС определяются технологическими связями, требованиями к качеству регулирования выходных переменных ХТС в целом, а также местными ограничениями изменений некоторых технологических параметров [39].

Проблема проектирования многомерных систем автоматического регулирования в настоящее время широко исследуется как в советской [48−48], так и в зарубежной печати [49−55]. В то же время в рассматриваемых постановках задач проектирования не принимается во внимание фактор рациональности структур в смысле такого важного показателя как сложность. Пренебрежение этим показателем может привести к неоправданному усложнению системы [2]. Задаче оптимального структурного синтеза многомерных систем с позиции их минимальной сложности посвящена работа [39]. Однако, следует отметить частность поставленной задачи и отсутствие формализации критерия сложности в этой работе.

Значительное место в процессе проектирования СУ ХТС занимает математическое моделирование. Необходимость математического моделирования при разработке СУ обусловлена возможностью использования моделей для осуществления анализа статических и динамических характеристик элементов ХТС и их взаимосвязей, выбора структуры и параметров СУ, формирования критериев оптимальности и ограничений, оценки эффективности алгоритмов управления на всех уровнях системы и т. д. [14] .

Ключевым моментом в вопросах повышения эффективности разрабатываемых проектов и собственно процесса проектирования на всех этапах в настоящее время является расширение проектно-конструк-торских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники [56]. С этих позиций важное значение имеет пополнение математического обеспечения систем автоматизированного проектирования (САПР) комплексами программ, предназначаемых для решения задач проектирования СУ ХТС.

Таким образом, задача проектирования СУ ХТС связана с решением широкого круга взаимосвязанных проблем: выбора рациональной иерархической структуры систем, выбора управляющих, регулируемых и измеряемых переменных, четкой формализации. задач, решаемых на отдельных уровнях иерархии и др.

Эффективного решения перечисленных задач следует ожидать лишь при использовании системных методов исследования и широком внедрении автоматизированных методов проектирования.

ВЫВОДЫ.

1. На основе системного подхода проведен анализ проблемы проектирования систем управления ХТС. Выделены основные этапы и методы проектирования систем управления с иерархической структурой.

2. Разработана методология оптимального проектирования САР параметров ХТС, основанная на эволюционной стратегии синтеза. При этом предложены: формализованная оценка сложности САРспособы декомпозиции задач синтеза и анализа САР, основанные на анализе «слабых связей» системыспособ выявления «узких мест» проектируемой системы регулирования и эвристические правила выбора, условий доминантности и структуры матриц компенсаторов многосвязных систем регулирования.

3. Показана недопустимость использования, вследствие высокой чувствительности, условий доминантности по столбцам в прямом и по строкам в обратном многомерных методах Найквиста при проектировании МСАР объектами, строки МПФ которых имеют различные порядки нулевых полюсов.

4. Разработан декомпозиционный алгоритм расчета настроек регуляторов с использованием условий доминантности по строкам для прямого и по столбцам для обратного методов Найквиста.

5. Разработаны эффективные алгоритмы расчета и аппроксимации частотных характеристик передаточными функциями для многомерных объектов с сосредоточенными и распределенными параметрами.

6. Разработаны математические модели статики и динамики основных технологических элементов отделения синтеза производства винилацетата, а также кинетическая модель процесса синтеза вини-лацетата с учетом изменения активности каталитической системы.

7. Разработаны и внедрены в эксплуатацию в ряде проектно-конструкторских организаций отрасли комплексы программ расчета математических моделей основных технологических элементов производства винилацетата и автоматизированного расчета и анализа САР.

8. Разработана двухуровневая система оптимального управления отделением синтеза винилацетата, в том числе:

— корректная форма постановки задачи оптимального управления параллельно функционирующими нестационарными реакторами при ограничениях по потребляемому сырью;

— алгоритмы решения задач идентификации математических моделей и оптимизации квазистатических режимов технологической системы, ориентированные на реализацию в рамках АСУ ТП;

— программное и информационное обеспечения верхнего уровня системы;

— оптимальные структуры и операторы управления САР технологических параметров;

— алгоритмы функционирования системы управления в целом.

Примененные подхода при формализации задачи управления нестационарными агрегатами, ее декомпозиции и решении могут быть использованы при аналогичных разработках.

9. Проведены технико-экономические исследования разработанной системы управления. Экономические эффекты от внедрения выданных Ереванскому ПО «Поливинилацетат» и Кироваканскому НПО «Полимерией» рекомендаций по усовершенствованию и проектированию систем управления действующим и создаваемым производствами ВА составляют соответственно 169,6 тыс. руб. и 257,2 тыс. руб.