Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств

Подождите немного. Документ загружается.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие автоматизации химический промышленности связано с воз-

растающей интенсификацией технологических процессов и ростом произ-

водств, использованием агрегатов большой единичной мощности, усложне-

нием технологических схем, предъявлением повышенных требований к по-

лучаемым продуктам.)

Особое значение придается вопросам автоматизации процессов хими-

ческой технологии в связи с взрыво- и пожаро-опасностью перерабатывае-

мых веществ, их агрессивностью и токсичностью, с необходимостью предот-

вращения вредных выбросов в окружающую среду. Указанные особенности,

высокая чувствительность к нарушениям заданного режима, наличие боль-

шого числа точек контроля и управления процессом, а также необходимость

своевременного и соответствующего сложившейся в данный момент обста-

новке воздействия на процесс в случае отклонения от заданных по регламен-

ту условий протекания не позволяют даже опытному оператору обеспечить

качественное ведение процесса вручную.

Человек обладает конечной скоростью восприятия ограниченного

объема информации; ему требуется некоторое время на ее обдумывание,

принятие решения и выполнение соответствующих мероприятий. Действия

человека отличаются субъективностью. Оператор должен непрерывно сле-

дить за процессом, с максимальной быстротой оценивать текущую обстанов-

ку и в случае необходимости принимать решения с целью поддержания за-

данного режима, что чрезвычайно сложно, а иногда и невозможно. Поэтому в

настоящее время эксплуатация процессов химической технологии без авто-

матизации практически немыслима.

Под технологическим процессом понимают совокупность технологи-

ческих операций, проводимых над исходным сырьем в одном или нескольких

аппаратах, целью которых является получение продукта, обладающего за-

данными свойствами; осуществляются они в ректификационных колоннах,

реакторах, экстракторах, абсорберах, сушилках и других аппаратах. Обычно

с целью переработки химических веществ и получения целевых продуктов из

этих аппаратов компонуют сложные технологические схемы.

Технологический процесс, реализованный на соответствующем тех-

нологическом оборудовании называют технологическим объектом управле-

ния (ТОУ). ТОУ это отдельный аппарат, агрегат, установка, отделение, цех,

производство, предприятие. Различные внешние возмущающие воздействия

(изменение расхода или состава исходного сырья, состояния и характеристик

технологического оборудования и т. д.) нарушают работу ТОУ. Поэтому для

поддержания его нормального функционирования, а также при необходимо-

сти изменения условий его работы, например, с целью ведения технологиче-

ского процесса по некоторой программе или получения целевого продукта

другого качества или состава, ТОУ нужно управлять. При этом цель управ-

ления заключается в обеспечении оптимального значения критерия управле-

ния, под которым понимается технологический или технико-экономический

показатель (производительность установки, себестоимость продукции и др.)»

характеризующий качество ТОУ в целом и принимающий числовые значения

в зависимости от подаваемых на него управляющих воздействий — целена-

правленных изменений материальных и энергетических потоков. Процесс

управления предусматривает: сбор информации о текущем состоянии объ-

екта управления; определение оптимального режима функционирования объ-

екта; вычисление управляющих воздействий; реализацию оптимальных

управляющих воздействий.

АСУ. В настоящее время для управления все шире применяют авто-

матизированные системы управления (АСУ) — человеко-машинные систе-

мы, обеспечивающие автоматизированный сбор и обработку информации,

необходимой для оптимизации управления. При этом под процессом оптими-

зации понимают выбор такого варианта управления, при котором дости-

гается минимальное или максимальное значение некоторого критерия управ-

ления.

Сбор и оперативная обработка информации, вычисление критериев,

нахождение оптимальных значений управляющих воздействий в этих систе-

мах осуществляется с помощью различных технических средств и электрон-

ных вычислительных машин. За управляющим персоналом остаются задачи

осмысливания технологической или технико-экономической ситуации в це-

лом и реализация управляющих воздействий.

Управление химическими предприятиями посредством АСУ осу-

ществляется по иерархическому принципу на трех уровнях.

АСУ П. На высшем уровне обеспечивается оперативное управление

химическим предприятием в целом, которое наряду с решением задач техно-

логического управления отдельными производствами, координирует работу

этих производств и решает планово-экономические задачи, обеспечивая эф-

фективность работы всего предприятия. Для оперативного управления

химическими предприятиями разрабатываются автоматизированные системы

управления предприятиями (АСУП).

АСУ ТП. На следующем уровне обеспечивается управление техноло-

гическим процессом. Для этого используется автоматизированная система

управления технологическим процессом (АСУ ТП), предназначенная для вы-

работки и реализации управляющих воздействий на ТОУ в соответствии с

принятым критерием управления. Задача управления в этом случае состоит в

отыскании оптимальных режимов совместно работающих аппаратов, распре-

делении нагрузок между отдельными агрегатами или параллельно работаю-

щими цепочками аппаратов с учетом имеющихся ресурсов сырья, энергии и

других показателей. В АСУ ТП широко применяется весь арсенал со-

временных средств автоматического управления, включая цифровые вычис-

лительные машины.

При управлении технологическим процессом на уровне АСУ ТП ин-

формация о его протекании передается , также и на диспетчерские пункты

предприятия, обеспечивающие ее анализ, обработку и использование в

АСУП при управлении предприятием.

Локальные системы. На низшем уровне задача сводится к Стабили-

зации необходимых режимов процессов, протекающих в отдельных аппара-

тах, путем поддержания заданных значений характерных технологических

величин (расход, темпера? Тура, качественные показатели получаемых про-

дуктов и др.). Кроме того, выполняется оптимизация процессов с учетом их

особенностей (процесс проводится при условии максимальной выработки

целевого продукта из единицы сырьевого материала, минимальных удельных

затрат энергии на получение продукта заданного качества или при других

условиях). Одновременно осуществляется сигнализация о нарушении задан-

ного режима, защита и блокировка оборудования, его пуск и останов, ди-

станционное управление процессом и т.д. Эти задачи решаются с помощью

локальных автоматических систем, входящих в АСУ ТП.

С усложнением задач, решаемых автоматизированной системой

управления химическим предприятием в целом, возрастают требования к ка-

честву работы локальных систем. Поэтому при автоматизации химических

производств и предприятий в первую очередь необходимо создавать надеж-

ные и качественно работающие локальные автоматические системы.

В данной книге наибольшее внимание уделено работе систем послед-

него (низшего) уровня иерархии управления химическими предприятиями;

приведены также некоторые сведения по АСУ ТП.

ГЛАВА I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМИ

ПРОИЗВОДСТВАМИ

1. Основные виды автоматических систем регулирования

Процессы химической технологии (при рассмотрении их с точки зре-

ния задач управления) обычно представляют в виде динамических систем",

поведение которых во времени определяется текущими значениями ряда ха-

рактерных величин —расхода протекающих через аппараты веществ, их тем-

пературы, давления, концентрации и" др. При нормальном протекании про-

цесса эти величины имеют определенные, так называемые номинальные зна-

чения.

В силу ряда внешних причин (изменение состава и расхода сырья, па-

раметров тепло- и хладоагентов и др.) или явлений, протекающих в самом

аппарате (изменение гидродинамической обстановки в аппарате, условий пе-

редачи тепла через поверхности, активности катализатора и др.), указанные

величины могут отклоняться от номинальных значений. Это приведет к

нарушению /процесса, снижению количества и качества получаемой продук-

ции, интенсивному износу оборудования. Чтобы процесс протекал нормаль-

но, им нужно управлять.

Управление — это целенаправленное воздействие на объект, которое

обеспечивает его оптимальное (в определенном смысле) функционирование

и количественно оценивается величиной критерия (показателя) качества.

Критерии могут иметь технологическую или экономическую природу (про-

изводительность технологической установки, себестоимость продукции или

т. п.).

Различают величины входные х

, z

и выходные у

. Под входными ве-

личинами объектов химической технологии понимают изменение расхода

вещества, его состава, количества подаваемого тепла и т. п. К выходным ве-

личинам относятся температура вещества, его уровень в аппарате, давление,

концентрация, влажность и др. Состояние объекта в каждый момент времени

определяется значениями выходных величин у

. Для нормального функцио-

нирования объекта они должны поддерживаться на определенном заранее за-

данном значении и

или изменяться по определенной программе.

Во время работы выходные величины отклоняются от заданных зна-

чений под действием возмущений z

и появляется рассогласование между те-

кущими у

и заданными и

значениями

выходных величин объекта. Если при наличии возмущений z

объект само-

стоятельно обеспечивает нормальное функционирование, т. е. самостоятель-

но устраняет возникающее рассогласования у

—и

, то он не нуждается в

управлении. Если же объект не обеспечивает выполнения условий нормаль-

ной работы, то для нейтрализации влияния возмущений на него налагают

управляющее воздействие х

р,

изменяя с помощью исполнительного устрой-

ства материальные или тепловые потоки объекта. Таким образом, в процессе

управления на объект наносятся воздействия, которые компенсируют воз-

мущения и обеспечивают поддержание нормального режима его работы.

Управление может быть ручным или автоматическим. При ручном

управлении воздействие на химико-технологический объект через исполни-

тельное устройство осуществляет человек (оператор), наблюдающий за хо-

дом процесса (рис. 1-1,а). Оператор следит за отклонением режима работы

объекта от требуемого и, в зависимости от этого отклонения, воздействует на

исполнительное устройство таким образом, чтобы процесс удовлетворял за-

данным условиям. При автоматическом управлении (рис. 1-1,б) воздействие

на объект осуществляется специальным автоматическим устройством в за-

мкнутом контуре; Такое соединение элементов образует автоматическую си-

стему управления. Частным случаем управления является регулирование.

Регулированием называют поддержание выходных величин объекта

вблизи требуемых постоянных или переменных значений с целью обеспече-

ния нормального режима его работы посредством подачи на объект управ-

ляющих воздействий.

Автоматическое устройство, обеспечивающее поддержание выходных

величин объекта вблизи требуемых значений, называют автоматическим ре-

гулятором.

Обычно при исследовании систем под входными, выходными и про-

межуточными величинами понимают не их абсолютные значения, а относи-

тельные приращения, которые представляют собой отношения приращений

соответствующих технологических величин к их базисным значениям. Под

базисными понимают величины, находящиеся в равновесном состоянии при

заданном

Рис. 1-1. Принципиальные схемы ручного (а) и автоматического (б)

управления.