Создание адаптивной системы управления на стадии ректификации в производстве этилового спирта Брусов Артемий Валерьевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач предприятий,

функционирующих в жестких условиях рыночной экономики, является интенсификация производства, повышение качества продукции и снижение энергетических затрат на основе всемерного применения достижений научно - технического прогресса.

Основным путем решения поставленных задач является обеспечение широкого применения микропроцессорных контроллеров и ПЭВМ для создания АСУТП или отдельных систем автоматического управления сложными объектами управления.

Производство пищевого ректификованного этилового спирта является одним из крупнотоннажных производств в микробиологической и пищевой промышленности. В России в настоящее время получение этого продукта осуществляется более чем на 200 заводах.

Пищевой этиловый спирт получают путем брагоректификации спиртовой бражки, вырабатываемой и» крахмалосодержащего сырья. Производство спирта осуществляют на брагоректификационной установке (БРУ) в состав которой, как правило, входят колонны: бражная, эпюрационная, ректификационная, а также дополнительно могут устанавливаться колонны: сивушная, окончательной очистки и разгонки головной фракции.

Основные единицы оборудования БРУ (колонны) как объекты управления обладают такими особенностями, как существенное транспортное запаздывание, переменные нагрузки, нестационарность параметров и высокий уровень неконтролируемых возмущений.

В действующем производстве этилового спирта для БРУ [1] предусмотрено регулирование расхода бражки, давления в нижней части колонн подачей пара, давления в верхней части колонн изменением расхода охлаждающей воды, отбора спирта из РК, контроль температуры и величины расхода эпюрата в РК. Кроме того, измеряются

-г-

температуры на контрольной тарелке, верха и низа РК, а также температуры паров на тарелках в зоне отбора сивушных масел и воды, отходящей из дефлегматоров колонн. Схема гидроселекцин головных примесей представлена нижним и верхним сборниками лютернои воды, в которых регулируется заданный уровень. Из верхнего сборника вода самотеком в заданном объеме поступает в колонну эпюрации, при этом избыточная вода сбрасывается в канализацию. Данная система управления БРУ и РК широко распространена на многих заводах Российской Федерации. Основными недостатками существующей САУ БРУ, на наш взгляд, являются:

отсутствие САУ температурой на контрольной тарелке РК по причине сложности реализации контура на типовых промышленных средствах автоматики, что приводит к увеличению потока флегмы в РК, значительному снижению производительности колонны и качества целевого продукта, увеличению расхода греющего пара и потерь спирта с лютернои водой;

отсутствие компенсации контролируемых возмущений по давлению греющего пара, являющихся следствием взаимовлияния колонн по пару, поступающему через общий коллектор;

регулирование давления верха и низа колонн с помощью двух независимых контуров приводит к снижению устойчивости технологического процесса и возникновению колебательных режимов;

отсутствие контуров контроля и управления температурой флегмы в колоннах эпюрации и ректификации приводит к значительным колебаниям последней и, как следствие, снижению коэффициента ректификации тарелок колонн с потерей производительности БРУ, например, на (15-25)% от номинальной при производстве спирта марки «Люкс».

_-є-

Все это определяет актуальность постановки задачи по созданию самонастраивающейся системы управления процессом ректификации, учитывающей особенности оборудования как объекта управления.

Один из путей повышения качества регулирования в этих условиях является применение элементов прогноза выходной координаты объекта управления. Среди множества методов управления процессами с транспортным запаздыванием также весьма широкое применение получили метод Смита и методы оптимального управления.

Необходимо отметить, что важным аппаратом для исследования устойчивости систем с запаздыванием является второй метод Ляпунова и методы Красовского, предложившего рассматривать вместо функций Ляпунова функционалы, обладающие лучшими свойствами. Наличие такого мощного аппарата имеет немаловажное значение для решения задачи настоящего исследования.

Цель работы. Цель настоящей работы заключается в исследовании массообменных процессов в колонне ректификации производства этилового спирта и создании на базе полученных данных адаптивной системы автоматического управления качеством продукта, позволяющей учесть особенности ТП как объекта управления и обеспечивающей эффективное функционирование в условиях действия неконтролируемых возмущений, существенного транспортного запаздывания и изменения динамических параметров объекта.

Для достижение поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Дополнительно экспериментально изучить ТП ректификации этилового спирта как объекта управления с целью построения динамической модели по основному каналу управления колонной РК - «отбор спирта - температура на контрольной тарелке»;

2. Построить динамическую модель основного канала управления в виде передаточной функции для различных режимов нагрузки и орошения ректификационной колонны;

3. Осуществить синтез структурной схемы адаптивной системы автоматического управления (АСАУ), обеспечивающей эффективное управление РК в условия действия неконтролируемых параметрических возмущений по коэффициенту передачи объекта управления;

4. Провести анализ синтезированной АСАУ в условиях действия реальных возмущений и изменения нагрузки на объект управления в сравнении с типовыми промышленными САУ;

5. Разработать алгоритмы и программы, реализующие синтезированную АСАУ, для целей применения в рамках конкретной АСУТП БРУ в производстве этилового спирта на базе микропроцессорных контроллеров и рабочих станций.

6. Подготовить к внедрению АСАУ в действующее производство этилового спирта.
Научная новизна.

Выполнен анализ особенностей технологического процесса ректификации в производстве этилового спирта как объекта управления. Доказано, что в колонне ректификации основным каналом автоматического управления качеством продукта является: «вход: отбор спирта - выход: температура на контрольной тарелке»; колонна ректификации как объект управления по данному каналу имеет большое транспортное запаздывание, высокий уровень контролируемых и неконтролируемых возмущений по составу и количеству питающей смеси, характеристикам и количеству пара, охлаждающей воды, что существенно влияет на параметры динамической модели по выбранному каналу управления;

установлено, что для различных интервалов наблюдения объект управления имеет существенно. отличающиеся коэффициенты передачи по основному каналу управления, что помогло при синтезе адаптивной САУ;

обоснована необходимость применения адаптивных систем, содержащих компенсатор транспортного запаздывания Смита, для управления основным каналом объекта, так

~&-

как изменение коэффициента передачи объекта в известных пределах приводит к резкому ухудшению качества управления и нарушениям хода ТП;

* Доказано, что адаптивная система автоматического управления, синтезированная с
целью учета особенностей процесса ректификации, обладает свойством
инвариантности к неконтролируемым возмущениям по коэффициенту передачи
объекта управления;

Получены результаты параметрического синтеза и анализа адаптивных САУ для
технологического процесса ректификации этилового спирта, с учетом действия
неконтролируемых возмущений по коэффициенту передачи объекта и существенного
транспортного запаздывания.

Практическая ценность. Результаты экспериментальных исследований ТП, системы управления качеством этилового спирта в технологическом процессе ректификации применены в проекте создания АСУ ТІ 1 цеха брагоректификации для ОАО "Петровский спиртовой комбинат" (Ивановская область). В результате применения адаптивной системы управления может быть повышена производительность процесса ректификации на (10-15)%, улучшено качество спирта, снижены затраты греющего пара на (5-10)%, уменьшены потери спирта с «лютерной» водой. Кроме того, результаты исследований могут быть применены на аналогичных производствах при создании АСУТП.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов,

списка литературы и приложений. Работа содержит страниц текста, рисунков и

таблиц. Список литературы - 147 наименований.

В первой главе представлено краткое описание технологического процесса брагоректификации этилового спирта, произведена классификация ректификационных установок, проведен анализ технологического процесса ректификации как объекта управления, выполнена оценка эффективности существующих систем управления.

На основе исследования известных материалов по существующим системам автоматического управления в производстве этилового спирта сфоррмулированы цель работы и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы экспериментального исследования ОУ и построения его математической модели по основному каналу управления РК: «отбор спирта - температура на контрольной тарелке». Выполнена постановка задачи идентификации объекта управления в рамках АСУ 111 действующего производства. Показано, что для построения математической модели ОУ, обладающего рядом особенностей, в том числе и нестационарностью параметров, необходима разработка методики и системы идентификации с применением настраиваемой модели, применение которых возможно в рамках АСУТП производства этилового спирта. Рассмотрены особенности построения систем регистрации и идентификации в составе АСУТП БРУ. По результатам экспериментальных исследований построена математическая модель динамики основного канала управления колонны ректификации этилового спирта. Обсуждаются результаты экспериментальных исследований ОУ.

В третьей главе выполнен анализ известных методов управления нестационарными объектами с запаздыванием. Исследованы возможности применения типовых САУ для управления качеством продукта на стадии ректификации в производстве этилового спирта. Методом имитационного моделирования при изменении в известных пределах коэффициента передачи объекта доказана низкая эффективность типовых САУ с ПИД-регулятором и компенсатором транспортного запаздывания для управления основным каналом колонны ректификации. Осуществлен синтез АСАУ для основного канала управления качеством спирта методом функционала Ляпунова - Красовского.

-ІО-

В четвертой главе рассмотрены особенности параметрического синтеза контуров самонастройки АСАУ. Предложена методика параметрического синтеза цепей адаптации. Выбор настроек параметрического регулятора выполнен методами нелинейного программирования и построения областей заданного качества с учетом ограничений, накладываемых особенностями ТП. Представлены и обсуждены результаты исследований процессов самонастройки и параметрической чувствительности АСАУ. Приведен анализ созданной и известной АСАУ, подтвердивший их высокую эффективность, в сравнении с типовыми промышленными системами управления.

В пятой главе рассмотрены особенности алгоритма непосредственного цифрового управления, реализующего АСАУ, и его настройки на ТП, а также режимы работы системы управления, обеспечение безопасности ТП в АСУТП БРУ. Представлены и обсуждаются особенности интерфейса оператора при управлении в рамках рабочей станции АСУТП.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались: на Четвертой всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (2001 г.); Седьмой нижегородской сессии молодых ученых " Техническое направление" (2002 г.); Седьмой нижегородской сессии молодых ученых Естественнонаучное направление" (2002 г.), Региональном молодежном научно-техническом форуме " Будущее технической науки нижегородского региона" (2002 г.), 15 Международной научной конференции " Математические методы в технике и технологиях " (2002 г.), Восьмой нижегородской сессии молодых ученых " Техническое направление" (2003 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 научных докладов и статей.

-у/-

На защиту выносятся следующие основные положения: результаты экспериментальных исследований основного канала управления колонной ректификации, подтвердившие, что для различных интервалов наблюдения объект управления имеет существенно отличающиеся коэффициенты передачи по основному каналу управления;

математическая модель динамики основного канала управления качеством спирта в технологическом процессе ректификации: «вход: отбор спирта - выход: температура на контрольной тарелке;

АСАУ, синтезированная методом функционала Ляпунова - Красовского для основного канала управления колонны ректификации этилового спирта; методика параметрического синтеза АСАУ, обеспечивающая системе управления эффективное функционирование в условиях исследуемого технологического процесса;

результаты сравнительного анализа типовых промышленных САУ и адаптивных систем управления, подтвердившие высокую эффективность функционирования и инвариантность последних к параметрическим возмущениям по коэффициенту передачи объекта управления;

система управления качеством продукта в технологическом процессе ректификации этилового спирта, реализованная на программном уровне, примененная в проекте создания АСУТП БРУ на ОАО «Петровский спиртовой комбинат».

Похожие диссертации на Создание адаптивной системы управления на стадии ректификации в производстве этилового спирта

Автоматизация и управление технологическим процессом ректификации КССЖ в производстве спиртаКасьянов Юрий Васильевич

Комплексная автоматизация учета производства, хранения и оптовой реализации спирта на ЗАО "ЛИВИЗ"Клечиков, Александр Владимирович

Повышение эффективности технологической подготовки производства путем создания системы поддержки принятия решений на машиностроительном предприятииСеребряков Алексей Александрович

Разработка теоретических и методологических принципов создания систем компьютерного зрения для автоматизации контроля качества текстильных материаловНовиков Александр Николаевич

Метод формализованного создания систем промышленной автоматизации на основе виртуального моделированияЗвольский Леонид Станиславович

Повышение эффективности подготовки многономенклатурного мелкосерийного производства на основе создания системы формального представления конструкторско-технологической информацииРулева Татьяна Владимировна

Разработка математических моделей каналов передачи данных для создания систем телеобработки информации в АСУЖТ Косенко С.С.

Разработка инструментальной программной системы для создания компьютерных систем программного управления технологическими машинами Кудымов Денис Николаевич

Диагностирование резцов и прогнозирование их остаточной стойкости в реальном времени обработки на основе создания инструментария системы ЧПУГригорьев Антон Сергеевич

Методы, модели и алгоритмы создания автоматизированных систем контроля и управления для повышения эффективности механической обработки изделийБобырь, Максим Владимирович