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

Подождите немного. Документ загружается.

управления — поддержание этой концентрации на значении,

яе превышающем предельно допустимое. На этот параметр

влияют концентрация органических загрязнений в поступаю-

щих стоках, расход стоков, концентрация бактерий и раство-

ренного кислорода 'в иловой смеси аэротенка и продолжи-

тельность пребывания стоков в аппарате. Концентрация орга-

нических веществ, их ^расход и, следовательно, время пребы-

вания стоков определяются режимом предыдущих технологи-

ческих процессов. Как правило, они изменяются в широком

диапазоне. Поэтому для достижения цели управления следо-

вало бы регулировать 'конечную концентрацию органических

веществ в стоках путем воздействия на концентрации бакте-

рий и растворенного кислорода в иловой смеси. Однако ав-

томатических измерителей содержания органических веществ в

сточных водах в настоящее время нет. Поэтому процессом

управляют по косвенному параметру — количеству органиче-

ских веществ в стоках, поступающих на очистку, которое рас-

считывают по расходу стоков и изменению в них концентра-

ции раствюренного 'кислорода. Регулирующее воздействие вно-

сится изменением расхода воздуха и ила, отводимого с уча-

стка.

ГЛАВА 6

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ (АСУ)

На современном этапе нефтеперерабатывающая, нефтехими-

ческая и химическая отрасли промышленности занимают ве-

дущее место среди отраслей тяжелой промышленности.

Первостепенное значение их проявляется в опережающих

темпах развития по сравнению с другими отраслями народного

хозяйства и в широком ассортименте выпускаемой продукции.

301

Для этих отраслей промышленности характерны быстры^

рост единичной мощности технологических установок; комби,

нирование и совмещение нескольких процессов в одном тех,

нологическом блоке; усложнение процессов; повышение требо-

ваний соблюдения технологических регламентов для получе,

ния продукции высокого качества.

Все это в значительной степени усложнило задачи управ,

ления. Для (качественного управления сложными и крупно,

масштабными технологическими и производственными процес-

сами стало необходимо обрабатывать несоизмеримо большее

количество информации (если объем производства возрастает

в арифметической прогрессии, то объем информации при

этом — в геометрической) и по значительно более сложным

программам (математические модели установок и производств

содержат от нескольких десятков до нескольких сотен урав-

нений) .

Проблема управления на всех уровнях материального про-

изводства становится одной из самых важных в народном хо-

зяйстве.

К сожалению, научно-технический прогресс в области

управления пока значительно отстает от прогресса в про-

мышленности в целом. Производительность труда в 'сфере

производства значительно выше, чем в сфере управления.

Выходом из создавшегося положения являются серьезные

преобразования в сфере управления на основе внедрения ме-

тодов кибернетики и вычислительной техники.

Теоретической основой автоматизации операций управления является ки-

бернетика— наука об общих законах получения, хранения, передачи и пре-

образования информации в сложных управляющих системах.

Задача автоматизации сложных технических систем и комплексов на-

столько важна и специфична, что совокупность научных направлений, обес-

печивающих ее решение, выделена в отдельную область науки и носит назва-

ние технической кибернетики.

Цель преобразований в области управления — повышение

производительности и улучшение качества управленческого

труда, а результат этих преобразований — внедрение автома-

тизированных систем управления (АСУ).

АСУ — это человеко-машинная система, обеспечивающая

автоматизированный сбор и обработку информации, необходи-

мой для оптимизации управления в различных сферах челове-

ческой деятельности.

Цель внедрения АСУ в нашей стране — создание общегосу-

дарственной системы управления всем народным хозяйством

(ОГАС). Она включает подсистемы оптимальных плановых

расчетов (АСПР), материально-технического снабжения

(АСУМТС), учета и отчетности (АСУЦСУ). Создание ОГАС

возможно лишь на базе АСУ более низких уровней: отрасле-

вых автоматизированных систем управления (ОАСУ), автома-

тизированных систем управления производственными объеди-

802-

рениями и предприятиями (АСУП), производствами и техноло-

гическими процессами (АСУТП). Чем крупнее объект управ-

ления, тем больший экономический эффект можно получить

от внедрения АСУ.

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АСУ

Создание и внедрение АСУ — сложный процесс; сложность его

обусловлена следующими причинами.

Во-первых, несмотря на единые технические средства и ме-

тоды разработки, каждая из создаваемых АСУ может счи-

таться уникальной, так как предназначена для управления

конкретным объектом с индивидуальными характеристиками

(зачастую даже для подобных объектов управления приходит-

ся составлять заново до 50% алгоритмов и 90% рабочих

программ).

Во-вторых, при создании и внедрении АСУ нельзя восполь-

зоваться обычной схемой внедрения новой техники: создание

опытного образца, выпуск и апробирование небольшой пар-

тии изделий, корректировка проекта и, наконец, создание

окончательного варианта. При внедрении АСУ отсутствует

возможность ее проверки до ввода в эксплуатацию, так как со-

вместная работа ЭВМ и людей может начинаться только по-

сле отладки рабочих программ. Поэтому неправильные реше-

ния и ошибки приходится исправлять на действующем обору-

довании.

В-третьих, создание АСУ заключается в постепенном нара-

щивании ее составляющих, причем освоенные ранее задачи

управления не исключаются и не заменяются. Эволюция АСУ

должна тщательно планироваться за.ранее, на самом первом

этапе.

И наконец, почти все объекты управления с течением вре-

мени претерпевают существенные изменения, что влечет за

собой модернизацию внедренных задач управления. Поэтому

АСУ должны обладать адаптивностью (приспосабливаемо-

стыо).

Все перечисленные положения требуют создания и соблю-

дения общих принципов построения АСУ. Рассмотрим их.

Принцип новых задач. При внедрении АСУ нельзя просто

перекладывать на вычислительную технику традиционно сло-

жившиеся методы учета, планирования и оперативного регу-

лирования; нужно перестраивать их с учетом возможностей

ЭВМ. Для этого необходимо провести тщательный анализ объ-:

екта управления с целью выявления потерь (сырья, энергии,

мощности и т. п.), происходящих из-за недостатков управле-

ния. В соответствии с результатами анализа составляют пере-

чень задач, которые могут быть решены с помощью вычисли-

303-

тельной техники. Решение этих задач должно обеспечить пол-

ноту, своевременность и оптимальность управления.

Принцип первого руководителя состоит в том, что заказ

на АСУ, его разработка и внедрение должны проводиться под

непосредственным контролем первого руководителя, обладаю-

щего знаниями и правами, достаточными для успешного внед-

рения такой важной и сложной системы, как АСУ.

Принцип системного подхода заключается в одновремен-

ном (системном) подходе к объекту управления и управляю-

щей системе. Нельзя относиться к управляющей системе как

к чему-то второстепенному. В соответствии с этим принципом

должны быть решены вопросы создания технического, мате-

матического, информационного обеспечения управляющей си-

стемы и установлена определенная этапность работ.

Принцип непрерывного развития системы. В системе долж-

на быть заложена возможность ее развития, выражающаяся

во введении в службу АСУ подразделений по подготовке но-

вых задач и модернизации старых на базе современных дости-

жений науки и техники. В противном случае АСУ может стать

тормозом для функционирования объекта управления.

Принцип максимальной разумной типизации проектных

решений состоит в том, чтобы предлагаемые решения при ми-

нимальных изменениях подходили возможно большему числу

заказчиков. Основной путь реализации принципа — разработ-

ка типовых решений. В настоящее время разработаны типо-

вые решения по расчету технико-экономических показателей

процессов химической технологии, по обработке первичной ин-

формации, распределению потоков между параллельно рабо-

тающими аппаратами и т. д.

Принцип единой информационной базы состоит в создании

на машинных носителях (магнитных лентах и дисках) общей

информационной базы для всех задач. Тем самым исключает-

ся дублирование информации, возможность разночтения (ког-

да, например, одна величина имеет разные значения в несколь-

ких массивах данных) и создаются условия комплектования

рабочих массивов для конкретных задач на основе информа-

ционной базы. Изменения базы должны проводиться оператив-

но, в одном темпе с изменениями объекта управления.

Принцип минимизации ввода информации состоит в том,

что обновление информации в процессе работы осуществляет-

ся по правилу ввода не самой информации, а ее изменения.

Это значительно уменьшает количество вводимой информации,

но резко увеличивает требования к достоверности вводимых

изменений.

Принцип одновременного ввода информации и подготовшл

первичного документа. Человеко- и машиночитаемые докумен-

ты должны формироваться одновременно: это исключает воз-

можность ошибки при составлении машиночитаемых докумен-

тов. Одновременное заполнение документов можно осущест-

304-

вить следующими путями: объединением человеко- и машино-

читаемых документов в единый документ (дуаль-карты; доку-

менты, заполняемые магнитными чернилами; бланки или кар-

ты с карандашными пометками); использованием устройств,.,

одновременно готовящих обычный документ и его машинную

копию; непосредственным подключением к ЭВМ устройств,

на которых готовятся первичные документы (телетайпы).

Принцип согласованности пропускных способностей от-

дельных частей системы состоит в том, что не следует увеличи-

вать пропускную способность арифметических устройств, если

«узким местом» системы являются устройства ввода — вывода..

2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ (АСУТП)

Назначение и состав АСУТП

АСУТП предназначены для выработки и реализации управля-

ющих воздействий на технологический объект управления-

(ТОУ) в соответствии с принятым критерием управления (оп-

тимальности) и с помощью современных средств сбора и пе-

реработки информации (в первую очередь средств вычисли-

тельной техники). Под ТОУ здесь понимают совокупность тех-

нологического оборудования и реализованного на нем по соот-

ветствующим технологическим инструкциям или регламентам

технологического процесса. К ТОУ относятся технологические

агрегаты и установки, реализующие самостоятельный техно-

логический процесс, например установки каталитического кре-

кинга, линия смесителей в производствах шин и резиновых,

технических изделий и т. д., а также отдельное производство

или производственный процесс. Если управление производст-

вом носит технологический характер, т. е. заключается в реа-

лизации режимов работы производственных установок, то та-

кие производства тоже относятся к ТОУ (например, производ-

ства серной кислоты, этилена, синтетического каучука и т. д.).

Критерий управления (соотношение, характеризующее ка-

чество работы ТОУ в целом и принимающее числовые значе-

ния в зависимости от используемых управляющих воздейст-

вий) указывает, какова конкретная цель функционирования

ТОУ.

Наиболее распространенным критерием управления мощ-

ных производственных комплексов является прибыль П:

i=i

где к — производительность установки по целевым продуктам; Ц{ — цена

продуктов; 3 — затраты производства.

20—581

305-

Если производится один целевой продукт, то часто в каче-

стве критерия управления берут себестоимость С:

З-^КпА-

где — стоимость побочных продуктов производства; — производи-

£=1

тельность.

В отдельных случаях критерием служит производительность

установки, или выход целевого продукта, или же один из по-

казателей качества целевого продукта.

Совокупность совместно функционирующих ТОУ и АСУТП

называют автоматизированным технологическим комплексом

(АТК). Блок-схема АТК представлена на рис. 6.1. Как видно

из схемы, комплекс технических средств (КТС) АСУТП вклю-

чает: чувствительные элементы — средства получения информа-

ции (сигналов) о состоянии ТОУ; преобразователи — средства

формирования и передачи информации в системе; вторичные

приборы и регуляторы — средства локального регулирования и

управления; средства вычислительной техники; исполнитель-

ные механизмы — средства воздействия на ТОУ; блок связи с

АСУП — средства передачи информации в смежные и выше-

стоящие АСУ.

Кроме технических средств управления при реализации

АСУТП в управлении участвует оперативный персонал: опера-

торы-технологи и эксплуатационный персонал КТС, обеспечи-

вающий заданное функционирование системы в целом (без

специалистов по ремонту).

В целях сокращения затрат и сроков создания АСУТП ре-

комендуется использовать в них агрегатируемые технические

средства автоматики (Государственная система приборов —

АСУП

Рис. 6.1. Блок-схема автоматизированного технологического комплекса:

О — отчет; 3 —задание; И — информация; РУ — ручное управление; ЛРУ — управление

при помощи локальных регуляторов; НЦУ — непосредственное цифровое управление.

306-

ГСП) и вычислительной техники (серия малых машин СМ

ЭВМ), позволяющие расширять и модернизировать систему

увеличением номенклатуры и числа устройств без коренной

реконструкции структуры АСУТП.

Комплекс технических средств АСУТП функционирует на

основе программного, информационного и организационного

обеспечения.

Программное обеспечение — совокупность программ, необ-

ходимая для реализации функций АСУТП. Его подразделяют

на общее программное обеспечение (ОПО) и специальное

программное обеспечение (СПО).

Общее программное обеспечение поставляется в комплекте

с вычислительной техникой и представляет собой совокупность

организующих служебных и транслирующих программ, про-

грамм отладки и диагностики, библиотеки стандартных про-

грамм.

Специальное программное обеспечение — это совокупность

программ, реализующих функций конкретной АСУТП. Так,

к ним относятся программы первичной обработки информации,

обработки неоперативной информации, оптимального управле-

ния и т. д.

Несмотря на существенные различия ТОУ, в программах

управления ими имеется много общего. Так, программы конт-

роля ТОУ и первичной обработки информации зависят от

конкретного ТОУ всего лишь на 20%- В связи с этим в настоя-

щее время на ряд функций АСУТП разрабатываются типовые

программы и алгоритмы.

Информационное обеспечение включает сигналы, характе-

ризующие состояние АТК; системы классификации и кодиро-

вания технологической и технико-экономической информации;

массивы данных и документов, необходимых для выполнения

всех функций АСУТП.

Организационное обеспечение представляет совокупность

описаний системы и ее частей, инструкций и регламентов для

оперативного персонала.

Основные функции ЛСУТП

Поставленная перед АСУТП цель управления достигается вы-

полнением перечисленных ниже функций:

1. Сбор и первичная обработка информации: опрос чувст-

вительных элементов с заданной частотой; фильтрация измере-

ний; расчет действительных значений параметров по информа-

ции от чувствительных элементов (качества, температуры, дав-

ления, уровня, расхода и т. д.) с учетом их характеристик и

введением поправок на состояние контролируемых сред; усред-

нение и интегрирование параметров за час, смену и сутки;

расчет количества продуктов в емкостях и т. д.

17*

307

2. Определение за час, смену и сутки оперативных технико-

•.экономических показателей (ТЭП): фактических расходных

показателей сырья, пара, электроэнергии, воды, воздуха; удель-

ных расходов этих же потоков; производительности по основ-

ному сырью и целевым потокам, суммарных затрат на произ-

водство; технологической себестоимости целевых продуктов;

.потерь при производстве.

При определении ТЭП, кроме того, составляются сводные

материальные балансы расхода сырья и целевых продуктов.

3. Контроль состояния установки: обнаружение отклонений

текущих значений параметров от уставок регулятора, а также

от минимальных и максимальных допускаемых значений; сиг-

нализация и регистрация отклонений параметров от допускае-

мых значений; индикация параметров по вызову оператора;

учет состояния установки, запасов сырья и продуктов; перио-

дическое введение операторного листа, печать параметров по

вызову оператора, диагностика и поиск неисправностей.

4. Регулирование параметров — сравнение текущих значе-*

ний с заданными и выдача соответствующих регулирующих

•воздействий.

5. Однотактное логическое управление, реализующее функ-

ции защиты и блокировки; выполнение программных и логи-

ческих операций дискретного управления процессом и обору-

дованием.

6. Оптимальное управление, т. е. поиск и выдача оптималь-

ных управляющих воздействий путем решения уравнений ма-

тематической модели процесса. Эта функция АСУТП — одна из

самых сложных и ответственных.

Математическая модель — это система уравнений, отражающих сущность

явлений, протекающих в реальном объекте. Алгоритм, составленный на осно-

вании этой системы, позволяет прогнозировать поведение объекта при по-

ступлении возмущающих и управляющих воздействий. Имея математическую

модель, достаточно задать реальные данные и наблюдать (путем решения си-

стемы уравнений модели) предполагаемую реакцию ТОУ на различного ро-

да возмущения. При этом исключены аварии и срывы (даже если модели-

ровать заведомо аварийную ситуацию), что очень важно при управлении

объектом в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промыш-

ленности, так как большая часть продуктов их относится к взрыво- и пожаро-

опасным веществам. После выбора оптимального варианта управленческих

решений математическая модель позволяет оценить поведение ТОУ в различ-

ных ситуациях на устойчивость работы.

Математические модели строятся следующим образом. Прежде всего

необходимо выделить основные закономерности и наиболее важные свойст-

ва объекта, т. е. идеализировать его. Идеализация воплощается введением

ряда допущений. Например, при математическом описании процесса поли-

меризации пропилена принимают (допускают), что реактор — аппарат пол-

ного смешения, что процесс в нем можно разбить на несколько стадий, что

ряд параметров не влияет на критерий оптимальности и т. д. Необходимо

стремиться установить максимум допущений и в то же время нельзя прене'

бречь каким-либо существенным свойством объекта.

Затем выделенные основные закономерности описывают математически

•с использованием физических и химических закономерностей, действующих в

пневматических, гидравлических, тепловых, массообменных и других систе-

мах. Построив модель, проводят проверку ее адекватности. Для этого зада-

308-

ют реальные начальные и граничные условия и сравнивают результаты рас-

чета с данными измерений на действительном объекте. По результатам ана-

лиза проводят корректировку модели, вводя соответствующие коэффициенты.

Таким методом (аналитическим) строят детерминированные модели, т. е.

модели, по которым можно определить цепь причин и следствий. Как прави-

ло, они отличаются большой сложностью и небольшой точностью. Их ис-

пользуют для описания строящихся и проектируемых установок.

Для действующих установок используют статистические модели, построен-

ные по данным активного и пассивного экспериментов. Активный эксперимент

обеспечивает в ряде случаев создание более точных моделей, а также упро-

щает обработку результатов исследований, однако не всегда может быть по-

ставлен на действующем агрегате. Более предпочтителен пассивный экспери-

мент, заключающийся, по существу, в регистрации параметров в ходе нор-

мального функционирования объекта в течение длительного времени. Стати-

стические модели более просты, чем детерминированные. Они представляют

собой полиномы первой или второй степени и обладают значительно большей

точностью. Они могут быть использованы на установках, где собирался ста-

тистический материал, в диапазонах изменения параметров, имеющих место

•при исследованиях.

7. Прием, анализ и выдача заданий и ограничений; подго-

товка и выдача оперативной и обобщенной информации

АСУП.

8. Пуск и остановка агрегатов производства.

Режимы работы АСУТП

В зависимости от степени участия человека в выполнении

функции АСУТП различают два режима работы АСУТП: авто-

матизированный и автоматический.

В автоматизированном режиме человек принимает участие

в управлении. Возможны следующие варианты реализации

данного режима:

ручное управление, при котором человек по информации о

состоянии ТОУ принимает решение и непосредственно воздей-

ствует на процесс с помощью исполнительных механизмов;

режим «советчика», при котором вычислительная техника

•рекомендует оператору оптимальные значения режимных па-

раметров процесса, обеспечивающих достижение цели управле-

ния; оператор на основании своего опыта и знаний анализи-

рует эти советы, а также информацию о процессе, получаемую

по различным каналам, принимает решение о целесообразно-

сти изменений режима и в случае принятия «совета» вмеши-

вается в работу объекта управления, либо изменяя задания

регуляторам, либо непосредственно — с помощью исполнитель-

ных механизмов;

«диалоговый режим», когда оператор имеет возможность

корректировать постановку и условия задачи, решаемой вычис-

лительной техникой, при выработке рекомендаций по управле-

нию ТОУ.

Автоматический режим работы АСУТП предусматривает

выработку и реализацию управляющих воздействий без уча-

стия человека. Возможны следующие варианты реализации

данного режима:

309

режим косвенного управления (супервизорный), когда сред-

ства вычислительной техники автоматически изменяют устав-

ки и (или) коэффициенты настройки локальных систем авто-

матического регулирования;

режим прямого (непосредственного) цифрового управления

(НЦУ), когда управляющее вычислительное устройство фор-

мирует воздействия на исполнительные механизмы; при этом

оно не только осуществляет поиск оптимальных значений па-

раметров, но и частично берет на себя функции локальных ре-

гуляторов.

Наиболее перспективным является режим НЦУ. При этом,

во-первых, обеспечивается возможность реализации более

сложных законов регулирования (чем при традиционных спо-

собах управления). Во-вторых, появляется возможность реали-

зации систем с самонастройкой (в таких системах настроеч-

ные параметры находит вычислительная техника, осуществ-

ляющая периодическую их подстройку). И наконец, примене-

ние НЦУ позволяет исключить из КТС вторичные приборы и

регуляторы, а значит, и громоздкие щитовые помещения с па-

норамными мнемосхемами.

Из всех перечисленных режимов в настоящее время наибо-

лее распространен режим «советчика»: при его реализации

уменьшается возможность неправильных решений, основанных

на неполной информации или принятых в непредвиденных ал-

горитмами обстоятельствах. ^

Агрегатные комплексы технических средств АСУТП

Число промышленных технологических объектов, на которых

целесообразно внедрение АСУТП, велико. Это привело к не-

обходимости разработки унифицированных технических средств,

методов их компоновки, программного и математического

обеспечения.

Одним из способов такой унификации является создание

агрегатных комплексов технических средств (КТС) АСУТП,

которые представляют собой набор технических средств, взаи-

модействующих между собой в составе системы, что необходи-

мо для решения определенных функциональных задач. Унифи-

кация технических средств комплекса предусматривает одно-

типность их элементарной конструктивной базы и диапазонов

изменения входных и выходных сигналов. Это обеспечивает

возможность построения из ограниченного набора блоков раз-

личных по сложности и информационной мощности АСУТП.

В отличие от традиционных систем контроля и регулирова-

ния агрегатные КТС базируются на развитых системах сигнал

лизации отклонения параметров процессов за допустимые пре-

делы и устройствах индикации всей необходимой для управле-

ния информации о статике и динамике процесса.

310