Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация технических процессов в химической промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.1.

объектом.

Схема управления

Задания

Технологические про-

цессы одного типа (на-

пример, процессы нагре-

вания) могут отличаться

аппаратурным оформле-

нием, свойствами перера-

батываемых веществ и

т. д. Однако они протека-

ют по одним и тем же за-

конам и характеризуются

аналогичными зависимо-

стями между параметрами

t> <5

между температурой, (например,

давлением и расходом теплоносителей).

Для процессов одного типа, протекающих в аппарате наибо-

лее распространенной конструкции, может быть разработано

решение по автоматизации, в принципе приемлемое для всех

разновидностей этих процессов. Будем называть его типовым

решением автоматизации. Типовое решение значительно облегча-

ет работу по автоматизации для каждого конкретного случая.

В некоторых объектах протекают процессы, подчиняющиеся

различным законам. Например, технологический процесс в рек-

тификационной колонне подчиняется законам гидродинамики

(так как происходит перемещение потоков), тепло- и массопере-

дачи (потому что между потоками жидкости и пара постоянно

осуществляется тепло- и массообмен). Автоматизировать такие

процессы намного сложнее, чем процессы, протекающие только

по одному закону.

Технологические процессы, осуществляемые на предприятиях

химической промышленности, характеризуются большим числом

разнообразных параметров. Особенно сложны в этом отношении

химические и массообменные процессы. Несмотря на многооб-

разие параметров, все они могут быть объединены в три груп-

пы: входные, режимные и выходные.

Входные параметры характеризуют материальные и энерге-

тические потоки на входе в аппарат (расход сырья, давление

греющего пара и т. д.). Внутренние режимные параметры дают

представление об условиях протекания процесса внутри аппара-

та. В некоторых объектах управления значения параметров не-

одинаковы в разных точках одного и того же аппарата (напри-

мер, в ректификационной колонне давление, температура и со-

став продукта меняются по высоте колонны). Такие параметры

называют распределенными в отличие от сосредоточенных пара-

метров (например, давление в ресивере). Управлять объектами

распределенными параметрами, как правило, сложнее, чем

объектами с сосредоточенными параметрами. Выходные пара-

метры характеризуют материальные и энергетические потоки на

выходе из аппарата (состав конечного продукта, количество от-

ходов и т. д.). Это могут быть также сводные экономические

показатели процесса, например себестоимость или затраты на

производство конечной продукции.

Совокупность значений всех параметров процесса называют

технологическим режимом, а совокупность значений параметров,

обеспечивающую решение задачи, поставленной при управлении

процессом, — нормальным технологическим режимом. Нормаль-

ный технологический режим задают и оформляют в виде техно-

логической карты (таблицы). В ней приводят перечень пара-

метров, значения которых необходимо поддерживать на опреде-

ленном уровне, а также указывают диапазоны значений, в кото-

рых изменение этих параметров не приводит к серьезным нару-

шениям технологического режима. Управление технологическим

процессом сводится к поддержанию параметров на уровне, со-

ответствующем нормальному технологическому режиму.

Реальные объекты управления в большей или меньшей сте-

пени подвергаются возмущающим воздействиям, которые нару-

шают нормальный ход процесса в объекте. Многие возмущаю-

щие воздействия трудно заранее предусмотреть, что значительно

усложняет управление процессом. Различают внешние и внут-

ренние возмущающие воздействия.

Внешние возмущающие воздействия проникают в объекты

управления извне: вследствие изменения входных параметров,

некоторых выходных параметров, а также параметров окру-

жающей среды. Изменение любого входного параметра процес-

са обязательно приводит к изменению течения процесса в объ-

екте. Большинство выходных параметров объекта (например,

состав и температура конечного продукта) не влияет на ход про-

цесса в объекте, более того, их значения определяются течени-

ем этого процесса. Однако изменение некоторых выходных па-

раметров влияет на внутренние параметры. Так, изменение рас-

хода пара, выходящего из ректификационной колонны, отража-

ется на давлении в колонне, а изменение расхода остатка — на

уровне жидкости в кубе. Возмущения, поступающие в объект уп-

равления при изменении параметров окружающей среды, наи-

более сильно влияют на технологический режим в случае уста-

новки аппаратов под открытым небом.

Внутренние возмущающие воздействия возникают в самом

объекте управления (например, при перераспределении насадки

в колоннах насадочного типа, загрязнении и коррозии внутрен-

них поверхностей аппарата, изменении активности катализато-

ра и т. д.).

При управлении процессом особое внимание следует обра-

тить на внешние возмущающие воздействия, так как они посту-

пают в объект чаще, чем внутренние, нередко имеют ступенча-

тый характер, большую амплитуду изменения и в ряде случаев

могут быть устранены до поступления в объект.

Рис. 1.2. Схема усреднения и стабилизации входных параметров:

/_ аппарат с мешалкой; 2 — теплообменник; 3 — ректификационная колонна; 1а — регу-

лятор температуры; Q — состав исходной смеси; Т — температура исходной смеси.

Объект управления должен быть подготовлен к автоматиза-

ции: желательно, чтобы он был полностью механизированным и

по возможности непрерывно действующим. В объектах пери-

одического действия отдельные операции процесса проводятся

в одном и том же аппарате в разное время, что вызывает необ-

ходимость периодической перестройки его работы (перекрыва-

ние одних магистралей и открывание других; изменение задан-

ных значений регулируемых параметров и самих параметров и

т. д.). Это затрудняет поддержание нормального технологиче-

ского режима. Объект управления должен быть таким, чтобы

число различных возмущающих воздействий, их амплитуда и

частота были минимальными, а характер изменения — плав-

ным. С этой целью, в частности, устанавливают дополнительные

аппараты (например, ресиверы, мешалки, теплообменники), в ко-

торых входные параметры процесса стабилизируются или ус-

редняются (рис. 1.2).

2. УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА

Управляющей системой называют совокупность персонала и ав-

томатических устройств, связанных общей задачей управления.

Автоматические устройства, входящие в управляющую систему,

по функциональным признакам подразделяются на устройства

контроля, регулирования, программного управления, сигнализа-

ции, блокировки и защиты. К ним относится также и вычисли-

тельная техника.

Устройства контроля (контрольно-измерительные приборы)'

служат для получения информации о состоянии объекта и усло-

виях его работы. Они могут быть выполнены либо в виде от-

дельных приборов, предназначенных для визуального контроля

за параметрами процесса, либо являться составной частью уст-

ройств регулирования, сигнализации и защиты. К устройствам

контроля относятся манометры, термометры, уровнемеры, рас-

ходомеры, газоанализаторы, концентратомеры и т. д.

Контрольно-измерительные приборы устанавливают непо-

средственно у технологических аппаратов (местный контроль)

или на центральных щитах управления (дистанционный конт-

роль). На современном этапе автоматизации отдают предпочте-

ние устройствам дистанционного контроля, а устройства местно-

го контроля используют только для пуска и наладки технологи-

ческих процессов.

При дистанционном контроле большое значение приобрета-

ют устройства обегающего контроля, дающие возможность про-

водить автоматическое измерение многочисленных параметров с

помощью одного прибора и вызов (в случае необходимости) лю-

бого параметра на прибор, а также малогабаритные и миниа-

тюрные приборы, позволяющие уменьшить размер щитов и

пультов управления и тем самым облегчить работу человека

(оператора, диспетчера). В связи с широким внедрением регули-

рования процессов по качественным показателям в настоящее

время особое значение приобретают устройства для анализа со-

става и свойств веществ.

В случае применения обычных устройств контроля человек

наблюдает за показаниями многочисленных приборов и сравни-

вает их с заданными (нормальными) значениями. Применяют

также и принцип контроля параметров по их отклонениям. При

использовании этого принципа прибор автоматически выдает ин-

формацию о степени соответствия фактического состояния объ-

екта заданному. Достаточно одного беглого взгляда оператора

и на информационное поле, и ему становится ясным общее со-

стояние процесса. При появлении сигнала отклонения какого-

либо параметра оператор вызывает данный параметр на указы-

вающий или самопишущий прибор для получения информации

•об абсолютном его значении.

Устройства регулирования предназначены для поддержания

постоянного значения параметров процесса (стабилизирующие

регуляторы), а также для изменения их по заранее заданному

или неизвестному закону (программные, следящие, экстре-

мальные регуляторы). Эти устройства получают от объекта уп-

равления информацию о состоянии параметров и воздействуют

на объект с помощью регулирующих органов. Для этих целей в

настоящее время широко применяют управляющие электронные

вычислительные машины и схемы каскадно-связанного регули-

рования. Устройства регулирования составляют наиболее важ-

ную группу устройств управляющей системы.

Устройства программного управления служат для управле-

ния каким-либо процессом путем включения или выключения

различных механизмов, машин, аппаратов по заранее заданной

программе, являющейся функцией времени. Эти устройства при-

меняют для управления объектами периодического действия.

Одним из таких устройств является командный электропневма-

тический прибор КЭП-12у, который в соответствии с заданной

на его программном валике последовательностью посылает пнев-

латические или электрические сигналы на исполнительные ме-

ханизмы.

Устройства сигнализации предназначены для автоматическо-

го оповещения обслуживающего персонала о наступлении тех

или иных событий в управляемом объекте путем подачи звуко-

вых или световых сигналов. Световые сигналы подают, как пра-

вило, с помощью электрических ламп, звуковые —с помощью

звонков, сирен и гудков. Используют также автоматические

устройства, подающие одновременно световой и звуковой сиг-

налы, причем звуковой сигнал служит лишь для оповещения

оператора о факте появления события в управляемом объекте,

а световой указывает на место и характер этого события (на-

пример, у ламп устанавливают рамки с указанием параметра).

В таких устройствах один звуковой сигнализатор работает с не-

сколькими световыми. Простые устройства сигнализации по-

строены на базе контактных приборов (манометров, термомет-

ров и т. п.): при достижении параметром заранее установленно-

го значения в приборе замыкается контакт, и включается сиг-

нальная лампа или звонок.

Различают следующие виды сигнализации: технологическую

и сигнализацию положения (состояния).

Технологическая сигнализация может быть предупредитель-

ной и аварийной.

Предупредительная сигнализация предназначена для опове-

щения обслуживающего персонала об отклонениях параметров

процесса, свидетельствующих о возникновении предаварийного

режима. Оператор при получении такого сигнала должен срочно

принять меры, предотвращающие аварию.

Аварийная сигнализация оповещает о недопустимых значени-

ях параметров процесса или об аварийном отключении какого-

либо аппарата технологической схемы. Обычно аварийные сиг-

налы подают мигающим светом и звуками резкого тона, так как

требуется немедленное вмешательство оператора ;в ход процесса.

Одновременно с появлением сигналов должны срабатывать имею-

щиеся на объекте автоматические устройства защиты.

Сигнализация положения (состояния) указывает на состоя-

ние объектов (включены или выключены) и положение запор-

ных органов (открыты или закрыты) в данный момент. Этот вид

сигнализации осуществляют с помощью ламп.

В ряде случаев применяют командную (командно-переговор-

ную) сигнализацию, когда с помощью световых или звуковых

сигналов передают различные указания с одного поста управле-

ния на другой. Например, с помощью такой сигнализации на ра-

бочие места вызывают наладчиков, ремонтников.

Устройства (схемы) блокировки служат для предотвращения

неправильной последовательности включений и отключений ме-

ханизмов, машин и аппаратов. Эти устройства (схемы) имеют

важное значение при комплексной автоматизации, когда боль-

шое число объектов автоматизируется как единое целое. Вклю-

чение и отключение их должно производиться в строго опреде-

ленном порядке, иначе может произойти авария. Например,,

включать группу транспортеров, работающих последовательно,,

следует против хода материала, т. е. первым должен быть вклю-

чен последний по ходу материала транспортер; отключать

транспортеры нужно в обратном порядке. При нарушении ука-

занной последовательности произойдет завал транспортеров ма-

териалом.

Устройства автоматической защиты предназначены для пред-

отвращения аварий. В случае нарушения нормального режима

эти устройства воздействуют на управляемый объект таким об-

разом, чтобы предаварийное состояние не переходило в аварий-

ное; иногда они сами восстанавливают нормальный режим.

Примером устройств автоматической защиты является пре-

дохранительный клапан, устанавливаемый на аппаратах, рабо-

тающих под давлением. Он защищает аппараты от разрушения

при повышении давления. Когда давление в аппарате достигает

опасного, заранее установленного значения, полость аппарата

станет сообщаться с атмосферой или со специальной линией, и

давление резко уменьшится.

В некоторых объектах может возникнуть только один при-

знак опасности; тогда для предотвращения аварии достаточно

включить или отключить одну магистраль. К таким объектам

можно отнести трубчатую печь: в случае прекращения подачи

нагреваемой жидкости в змеевики печи необходимо сразу же

перекрыть линию топлива во избежание прогорания труб.

В других объектах может возникнуть несколько признаков

опасности, и для предотвращения аварии необходимо закрыть

или открыть несколько магистралей, причем иногда это надо

сделать в определенной последовательности. Например, при осу-

ществлении процесса ректификации признаками опасности мо-

гут являться прекращение подачи исходной смеси, хладоносите-

ля — в дефлегматор и конденсатор, теплоносителя — в кипятиль-

ник, а также повышение давления в колонне. Поэтому в случае

появления любого из перечисленных признаков необходимо пе-

рекрыть или открыть сразу несколько магистралей.

В отдельных случаях недостаточно только отключить объект

управления, надо также продуть его инертным газом, например

азотом. Это относится в основном к химическим реакторам.

В случае появления опасности на таких объектах устройство за-

щиты должно дополнительно обеспечить автоматическое откры-

тие магистрали инертного газа.

Большинство химических производств представляет собой

ряд последовательно проводимых технологических процессов»

так что отключение одного из аппаратов влечет за собой отклю-

чение всех остальных и полную остановку всего производства.

Поскольку пуск и наладка производственного процесса — слож-

ная и трудоемкая задача, необходимо предотвратить ложное

срабатывание устройств автоматической защиты. Это достига-

ется, в частности, установкой двух автономных устройств защи-

ты, реагирующих на один и тот же признак опасности, чтобы

только при срабатывании обоих устройств происходило автома-

тическое отключение объекта. Кроме того, в каждом конкретном

случае необходимо изыскивать возможность не полного отклю-

чения аппарата, а перевода его на другой режим работы. На-

пример, при потускнении факела в топке устройство автомати-

ческой защиты открывает резервную магистраль топлива.

В схемах защиты иногда предусматривают задержку на сра-

батывание, что исключает срабатывание схемы при случайных

(импульсного характера) возмущениях.

Вычислительная техника может выполнять все функции ука-

занных выше автоматических устройств и, кроме того, осу-

ществлять расчет технико-экономических показателей процесса

(ТЭП), показателей качества целевых продуктов и расчет оп-

тимальных технологических режимов с последующей их коррек-

тировкой (путем выдачи «совета» оператору, изменения задания

регуляторам или же непосредственно воздействуя на объект че-

рез исполнительные органы) *.

3. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Объект управления и управляющая система, взаимодействую-

щие между собой, составляют систему управления. Система уп-

равления может быть местной и централизованной. Соответст-

венно и управление называют местным и централизованным.

В первом случае управляющую систему располагают рядом с

объектом управления, во втором — на расстоянии от объекта,

в специальном помещении (операторской, диспетчерском пунк-

те). При местном управлении работу объекта обычно наряду с

автоматическими устройствами обеспечивает человек, проводя

вручную часть технологических операций (например, в процессе

вулканизации автомобильных камер).

В централизованной системе управление всеми технологиче-

скими операциями ведется дистанционно.

Эффективность работы системы управления оценивается по-

казателем эффективности (ПЭ), в качестве которого выбирают

один или несколько выходных параметров объекта (температу-

ру, количество, качество, себестоимость продукта и т. п.).

Задача, поставленная перед системой управления, например

поддержание постоянной температуры жидкости на выходе теп-

лообменника, называется целью управления. По цели управле-

ния системы управления подразделяются на стабилизирующие и

оптимизирующие.

В стабилизирующих системах целью управления является

поддержание ПЭ на постоянном, заданном значении. Стабили-

* Устройства контроля и регулирования, а также вычислительная тех-

ника рассматриваются в специальных курсах,

зирующие системы управления полностью оправдывают себя

при управлении вспомогательными процессами, показатель эф-

фективности которых следует поддерживать постоянным для

наилучшего ведения основного процесса. Например, при нагре-

вании исходной смеси, поступающей в ректификационную колон-

ну, показателем эффективности процесса является температура

смеси на выходе из теплообменника, которая должна поддержи-

ваться постоянной.

При стабилизации показателя эффективности основных про-

цессов не всегда используются все возможности технологической

аппаратуры. Для конкретных условий протекания этих процес-

сов можно найти такую комбинацию значений управляемых

параметров, при которой значение ПЭ будет лучше заданного.

Например, стабилизирующая система управления стремится

поддержать выход целевого продукта постоянным, а яри воз-

никших в какой-то момент новых условиях можно так управ-

лять процессом, что выход продукта станет выше. Поэтому при-

менение стабилизирующих систем оправдано только для стацио-

нарных объектов управления, когда условия протекания про-

цессов меняются редко и незначительно. Для управления слож-

ными нестационарными объектами целесообразно применять

управляющие системы, способные находить для разных ситуа-

ций в объекте оптимальные значения ПЭ.

В оптимизирующих системах управления показатель эффек-

тивности поддерживают на оптимальном (максимальном или

минимальном) значении при соблюдении ограничивающих усло-

вий. Показатель эффективности оптимизирующих систем назы-

вают критерием оптимальности. Параметр конечного продукта,

выступающий в качестве критерия оптимальности, характери-

зует процесс только с одной, наиболее важной стороны, а при

оценке полной эффективности процесса необходимо иметь в виду

и другие параметры конечного продукта. Например, в качестве

критерия оптимальности процесса ректификации выбран состав

остатка (остаток должен быть как можно более чистым). Одна-

ко при решении только этой задачи полная эффективность про-

цесса может оказаться невысокой (например, в случае получе-

ния лишь небольшого количества остатка высокой чистоты).

В связи с этим на параметры конечного продукта, характери-

зующие эффективность ведения процесса, но не являющиеся

критерием оптимальности, накладываются ограничивающие ус-

ловия. В приведенном примере ограничивающие условия по ко-

личеству остатка и его себестоимости можно представить сле-

дующими неравенствами:

^ F

s^ С

где Fт — текущее значение расхода остатка; F

— минимально допустимый

заданный расход остатка; С

—текущее значение себестоимости остатка;.

Сэ — максимально допустимая заданная себестоимость остатка.

Ограничивающие условия накладываются также и на те па-

раметры, которые нельзя беспредельно изменять с целью полу-

чения наилучшего значения критерия оптимальности. Например,,

давление в аппарате не должно быть выше определенного пре-

дела, иначе произойдет разрыв стенки аппарата; повышение

температуры в объекте ограничено возможностью нежелатель-

ных изменений свойств перерабатываемого вещества, расход

продуктов лимитируется пропускной способностью трубопрово-

дов и т. д.

Оптимизирующие системы управления базируются на экст-

ремальных регуляторах или на вычислительных машинах.

Степень участия человека в системе управления может быть

различной. Она определяется характером объекта управления,,

задачами, стоящими перед системой управления, разработанны-

ми методами управления, наличием технических средств управ-

ления.

Так, в случае сравнительно простого объекта управления,

например трубчатой печи, контроль, регулирование и сигнали-

зация параметров, а также защита объекта осуществляются ав-

томатически. Однако вывод печи на нормальный режим работы

(например, после ремонта) и останов ее, также входящие в за-

дачу управления, проводятся при участии человека. Можно ска-

зать, что на этапе работы печи после вывода ее на нормальный

режим и до останова данная система управления является авто-

матической. Такую систему принято называть системой автома-

тического управления (САУ).

Гораздо более сложным объектом управления является про-

изводство, когда требуется не только автоматизировать конт-

роль, регулирование и сигнализацию технологических парамет-

ров, но и решать следующие задачи: выработку оптимальных

решений (например, расчет новых заданий регуляторам); рас-

чет материального баланса производства; расчет оперативных

значений технико-экономических показателей (ТЭП) за истек-

шую смену, а также учетных ТЭП за истекшие сутки; планиро-

вание расхода сырья, энергоресурсов и реагентов (текущее —

на квартал, месяц и оперативное —на декаду, сутки); выдачу

информации системе управления предприятием; выполнение ин-

женерных расчетов и обработку статистических данных; управ-

ление коллективами.

Такие задачи решает управленческий персонал на основе

экономико-математических методов с помощью электронно-вы-

числительных машин (ЭВМ), средств сбора, фиксации, передачи

и хранения информации.

Человеко-машинные системы, предназначенные для автома-

тизированного сбора и обработки информации, называют авто-

матизированными системами управления.

Внедрение АСУ является наиболее прогрессивным направле-

нием в области автоматизации.

2-581

В автоматизированной системе управления (АСУ) человеку

отводится главная роль в принятии окончательного решения на

основе оценки различных расчетных вариантов при использова-

нии имеющихся в его распоряжении дополнительных данных.

Здесь человек освобождается от выполнения большого объема

текущей монотонной (рутинной) работы, например расчетов,

и переключается на творческое решение наиболее важных и пер-

спективных вопросов управления. Человек оставляет за собой и

такую работу, которую по тем или иным причинам нецелесооб-

разно передавать машине, например вопросы подбора и расста-

новки кадров. В АСУ сочетаются интеллект человека, мощный

математический аппарат и большие возможности современной

вычислительной техники. АСУ позволяют мобилизовать резер-

вы в производственно-хозяйственной деятельности объектов, ко-

торые вследствие недостаточных возможностей существующего

аппарата управления остаются пока нереализованными.

Электронные вычислительные машины в АСУ могут исполь-

зоваться в режиме непосредственного управления и в режиме

«советчика оператора». В. первом случае ЭВМ рассчитывает, как

необходимо изменить процесс для достижения цели управления

(подготавливает решение), и сама вносит воздействие в объект

управления. Во втором случае ЭВМ лишь дает «совет» опера-

тору (диспетчеру). Оператор же на основании своего опыта и

знаний анализирует эти «советы», а также информацию о про-

цессе, получаемую от различных контрольно-измерительных

приборов, принимает решения о целесообразности изменений ив

случае принятия «совета» вмешивается в работу объекта управ-

ления путем изменения задания регуляторам или же непосред-

ственно, изменяя положения регулирующих органов.

4. НАДЕЖНОСТЬ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Показатели надежности. В условиях широкого внедрения слож-

ных систем управления процессами особое значение приобретает

проблема надежности.

Надежностью называют способность изделия* выполнять за-

данные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в за-

данных пределах в течение требуемого промежутка времени или

требуемой наработки. Надежность — одна из важнейших харак-

теристик качества изделия, обобщающая ряд показателей, на-

пример безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость. Ос-

новные положения по надежности (термины, номенклатура иха-

* Под изделием здесь и далее понимают элементы устройств, не подле-

жащие ремонту и заменяемые новыми (исправными), например резисторы и

•конденсаторы, различные автоматические устройства (реле, измерительные

приборы, регуляторы и т. п.), системы функционально связанных между со-

бой устройств (схемы защиты, блокировки, управления технологическими

аппаратами, насосами, компрессорами и т. п.).