автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированная система оперативно-диспечерского управления для основных ХТП производства активированных углей

од

' ' ^ fi

;; lia правах рукописи

ЛЕОНОВ ИГОРЬ ОЛЕГОВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНО-ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОСНОВНЫХ ХТП ПРОИЗВОДСТВА АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ

05.13.07 - Автоматизации технологических процессов il производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кяндидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственном техноло гическом институте (техническом университете).

На; чный руководитель - доктор технических наук,

профессор Соколов Геннадий Александрович Научный консультант - кандид-т технических ьаук,

доцент Иванова Галина Владимировна

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук,

профессор Холоднов Владислав Алексеевич;

- кандидат технических наук, Хохлив Валерий Абрамович

Ведущая организация: ОАО "Сорбент" (г. Пермь)

Зашита диссертации состоится /о^^^У/1998 года п ^^ часов на заседании диссертационного совета Д 063.25.11 в Санкт-Печербургском государственном технологическом институте (техническом университете) по адресу: 198013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 (ауд. 61).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Опывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу : 198013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, СПбГП 1(ТУ), Ученый Совет.

Автореферат разослан ^¿¿.¿1-гХ 1998 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^

к.т.н., доцент ' В. И. Халимон

с

М/^.ар-н, 7?П ПК С.ПГГЯ 1

ОЫЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С момента огкрыти) е 1785 году Ловицем адсорбционных свойств угля но настоящее время применение этого продукт неуклонно возрастает. В настоящее время активированный уголь используется во многих процессах химической технологии. Кроме тою, активированный уголь широко используется для очистки питьевой воды, отходящих газов и сточных вод.

Управление существующими отечественными производствами активированных углей осуи'чгптяется на базе традиционных в 70-е годи, локальных систем автоматизации, при отсутствии автоматических средств аналитического контроля качественного состава продуктов и полупродуктов. Не последнее место в управлении занимает ручное упраиление материальными потоками. Такое положение остается несмотря на то, что существуют отдельные научные разработки на пути решения проблемы управления данным производством.

Поэтому совершенствование производства углеродных сорбентов ни базе современных подходов к автоматизации является актуальной задачей.

Цель рабозъг Разработка сгрук^р для создания автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) к.ногономенкла-турным производством активированных углей, а также разрабо1ка соответствующего методологического, алгоритмического и программного обеспечения для системы.

Методы исследования. При выполнении работ I использовались методы математического моделирования в химической технолоти, статистического моделирования, математического программировании и имитационного моделирования.

Научная новизна.

1. Предлагается структура автоматизированной сиаемы оперативно-диспетчерского управления производством активированных углей, как трс-хуровнев_>й иерархической системы, характер« .ующаяся модульным подходом к организации структуры по технологическому принци. у, функционально нацеленная на совершенствование имеющейся технологии и повышение эффективности использования технологического оборудования.

2. Разработана методика адаптивного оптимального управления статическими режимами для технологического мод тя АСОДУ (ТМ АСОДУ) с целью обеспечения требуемых показателей качества полупродуктов (карбонизованных гр-нул), регламентирующих возможность Еыиуска целевого продукта ^активнр >анных гранул) требуемой марки, основанная на использовании комбинированного математического описания статики процесса, на базе аналитических и адаптируемых статистических моделей, и специально разработанного алгоритма принятия решения при оптимизации в условиях производственных ограничений на режимные параметры, показатели качества исходных н карбонизованных гранул.

3. Предлох.ена методика адаптивного управления процессом карбонизации в динамике на основе: использования математического описай ,я динамики процесса по основным каналам управления; обеспечения возможности коррекции параметров модели в соответствии с расчетными оптимальными статическими режимами; обеспечения возможности коррекции оптимальных настроечных параметров для локальных систем регулирования, реализованных на нижнем уровне АСС ДУ.

4. Разработан оригинал1 1ЫЙ алгоритм управления ТМ АСОДУ, обеспечивающий адоптивное и оптимальное управление статическими и динамическими режимами основных технологических процессов производства активированных углей в условиях многоагсортиментноси и многотоннажности производства, нестационарности технологических процессов.

5. Разработана имитационная модель процесса карбонизации, позво-яющая моделировать поведение процесса карбонизации и исследовать

реаки но алгоритма управление на различные возмущения, поступающие с характеристиками исходного продукта или связанные с несташюпарностыо процессов.

Практическая ценность.

- предложенные подходи к созданию АСОДУ могут быть использованы при модернизации цеха активных гранулированных углей ОАО "Сорбент" (г. Пермь);

- использование разработанного алгоритма управления позволит поддерживать управление отдельными процессами на оптимальном режиме, что повысит качественные показатели готового продукта.

- отдельные составляющие работы внедрены в учебный процесс кафедры автоматизации процессов химической промышленности СП6ГГИ(ТУ), что подтверждается соответствующим актом.

Реализация работы. Разработанное программное обеспечение АСОДУ, предназначенное для содействия в выполнении функций оперативного персонала, передано па ОАО "Сорбент" для эксплуатации, что подтверждается соотчстстиующим актом.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на:

- Международной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов", Москва 1994.

- Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ - 9). -Тверь, 1995.

- Международной конференции "Математические методы в -шмич и химической технологии" (ММХ - 10).-Тула, 1996.

- Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ -11), - Новомосковск, 1997.

-Научно-технической конференции аспирантов Санкт-Петербургского технологического института памяти М.М.Сычева. Спб, 1997.

- Научно-техническом совете ОАО "Сорбент", г. Пермь, 1997.

Шблцкяцщи По теме диссертации опубликоза!../ 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 1X3 страницы машинописного текста, из них: У1 страниц приложения, 25 рисунков, 18 таблиц, .1 также библиографический список из Ь5 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во пвсдешщ^даек л общая характеристика исследуемых задач, обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследования, кратко рассматривается содержание работы, определяется научная новизна.

^ пЩ1прй__Ел??£_проведен анализ производства активированных углей как объекта управления. Приведено описание основных типов и марок активированных углей, их характеристики и свойства. Кратко описана технология производства активных гранулированных углей.

Показано, что варьируя характеристики исходного сырья, в том числе и размерами гранул, продолжительность и режимы ведения процессов, можно . получать актированные угли : заранее заданными свойствами. Поэтому, обычно, на подобных производствах на одном и том же оборудовании производят десятки наименований конечной продукции.

Производство активированных углей имеет традиционную технологию, состоящую из подготовительного отделения, процесса • сушки, карбонизации и активации. При современном аппаратурном оформлении эти стадии являются автономными и вполне законченными. Характерными особенностями этих процессов, как объектов управления, являются существенные возмущения, связанные с изменением характеристик сырья, нестационарностью процессов, их энергоемкостью, инерционностью и мно-гоассортиментностыо выпускаемой продукции, а также отсутствием оаланса по нагрузке между отдельными аппаратами.

По второй главе прнво-.ится постановка задачи разработки автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления производством активных гранулированных углей. Приведен анализ текущего состояния автоматизации производства АГУ и обоснование выбора АСОДУ в качестве системы управления для производства АГУ. Предлагается структура трехуровневой иерархической АСОДУ, определ .отся ее цели и задачи, предлагаются методы их решения.

Предлагаемая структура упраг тения не потребует коренного изменения структуры техноло лчесКой части производства, а направлена на совершенствование имеющейся технологи . и повышение эффективности использования оборудования, что в настоящих экономических условиях крайне важно.

В качестве основных принципов разработки АСОДУ выбираются: системный подход и модульная структура. Системный подход базируется на обеспечении в системе АСОДУ функциональной интеграции (единства целей

и согласованности критериев); математической интеграции (создании комплекса взаимосвязанных специальных программ, информационных Оаз данных); технической интеграции (рациональном объединении различных технических средств в единый совместно функционирующий комплекс техни-чес :их средств). Модульная структура АСОДУ разрабатывается с позиций технологической структуры производства и основных функций АСОДУ. Структура предлагаемой системы приведена на рис. I.

В пей отражены осноьные принципы организационной структуры АСОДУ.

1). По технологическому принципу организации АСОДУ состоит из ряда технологических модулей (ТМ АСОДУ) : подготовительного отделения, сушки, карбонизации, активации (соответствующим основным стадиям производства). Технологический модуль АСОДУ имеет два уровня: нижний и верхний.

2). По принципу технической реализации система представлена как трех} .ювневая иерархическая система с локальными АСР режимных параметров, обеспечивающими показатели эффективности процессов, на нижнем уровне ТМ АСОДУ, комг.ютерной системой управления на верхнем уровне ТМ АСОДУ и системой координации процессов на верхнем уровне системы в целом.

В результате анализа литературных источников и круга задач, требующих решения на верхнем уровне управления АСОДУ была предложена структура верхнего уровня АСОДУ содержащая пять оснопных подсистем (см. рис.2.):

1). подсистему координации производства;

2). подсистему планирования, предоставляющую возможность расчета календарного и оперативного планов;

3). подсистему производственной лаборатории, для ввода и хранения данных лабораторного анализа; •

4). подсистему связи с оперативным персоналом, реализуемую средствами ЛВС (используются стандартные средства обмена

5). подсистему поддержания нормального функционирования локальной вычислительной сети.

Анализ известных процедур координации работы непрерывных производств показал целесообразность использования в АСОДУ безытерационных процедур. Однако плохая изученность процесса активации не позволяет на данный момент использовать эти процедуры в автоматическом алгоритме управления производством, поэтому предполагается использовать отдельные процедуры расчета и оптимизации ХТС;

Дач осуществления оптимального и оператив'-ого управления отдельной стадией производства АГУ разработана сгрук.ура типового технологического модуля АСОДУ. Разработанная структура ТМ АСОДУ представлена на рис. 3.

Подготовительное отделение

Процесс сумки

Е=3

Процесс карбомн1ац> л

I

Процесс активации

ш.

3

им

Вход Выход

Регулирующие микроконтроллеры

Вход I Выход

Регулирующие микроконтроллеры

ПЭВМ

АРМ подготовительного

отделения

Локальная

ы

АРМ процесса сушки

Вход Выход

Регулирующие микроконтроллеры

Вход | Вихоп

Регулирующие микроконтроллеры

гычислитеяьна гэ—

з сеть ет

I

ПЭВМ

АРМ

процесса

активации

1 ■« 3

55 = 5 а.ш

х ш ь. -ио и

Ю >»"

|ПЗБМ| средства администрирования сети

|ПЭВМ|

АРМ начальника смелы

Рис.1. Структурная схема АСОДЦ производства актнвнрооанних углей

о и

«I

Локальна_я_

АРМ

Лаборанта

СЕРВЕР

вычислительная сеть \

и.чи '

Подсистема поизводственной лаборатории

Управляющая про'раима

Лаборант

Стандартные средства администрирования

срти

Подсистема поддержания нормального функционирования ЛВС

■II

АРМ Начальника

Администратор сети

Подсистема связи с оперативным теосоналом

Подсистема координации производства

Подсистема планирования

Управляющая программа

з •

31 иэ а о

Начальник смены

Рис. 2. Верхний уровень АСОДУ

ТМ АСОДУ включает в себя техническое, математическое, программное, информационное и организационное обеспечение для реализации специальных управляющих, информационных и системных функций управления отдельной технологической стадией производства.

Основные управляющие функции ТМ АСОДУ:

- расчет основных материальных и тепловых потоков процесса при заданных характеристиках исходного сырья, г. целыо получения готового продукта с требуемыми качественными характеристиками;

- адаптивное оптимальное управление статическими режимами на основе решения задач статистического моделирования, статической оптимизации и коррекции уставок регуляторов;

- адаптивное управление в динамике, на основе коррекции динамически х параметров моделей объекта, пересчета и коррекции оптимальных •асгроек регуляторов;

- реализация автомати?ированного и автоматического алгоритмов адап.ивного управления в статике и в динамике.

В качестве основных информационных функций в технологическом модуле АСОДУ приняты:

- дисплейное многоуровневое отображение информации в виде мнемосхемы, графиков, таблиц;

- формирование и хранение текущей информации в виде баз данных;

- функции настройки модуля: задание имен файлов данных и временных файлов, основных констант и временных интервалов опросов;

- хранение справочной информации.

Третья глава посвящена методике разработки типового технологического модуля АСОДУ на примере процесса карбонизации. Приводится краткое описание процесса и показывается, что основными проблемами на пути разработки алгоритма управления процессом карбонизации являются проблемы обеспечения адаптивного оптимального управления статическими и Д1 .шмическими режимами процесса. Приводится математические методы и описываются предлагаемые методики для решения этих проблем. Рассматривается предложенный алгоритм управления, осуществляющий взаимодействие всех подсистем АСОДУ, направленное на решение задачи адаптивного и оптимального управления в статике и динамике.

Процесс карбонизации, как сожный ХТП характеризуется большим количеством параметров, которые подразделяются на входные, конструктивно-режимные и выходные. Процесс карбонизации, как объект управления представлен следующей информационной схемой (рис.4).

Проблема адаптивного оптимального управления статическими режимами процесса карбонизации сформулирована нами как задача поиска экстремума целевой функции в условиях заданных производствен!.ых ограничений и на основе использования адаптируемых математических моделей

Типовом процесс технологии

Регулирующие микроконтроллеры

Входы

ЛСА | ВЫХОДЫ

§

8 <

я

I-

2

Локальная вычислительная сеть

Аналитическая модель статики

область

Статическая обработка информации

II Р

— о.

Статистическое моделирование

>

ОНР

АРМ

Модель динамики

уставки и иНР для ЛСА

Оптимизация

иодели

настройка и коррекция}-

Управляющая программ!

Мнвиосхеиа

| Оператор|Нзстройщик|Инжвнер [

Ри_. 3. Структура типового технологического модуля АСОДУ

| ОтЬ

1 * т Тк

р Т10

вз Сд С1к

Мрг

402 Пок

вт Бк

ею N СЮ

С9 Ж 2

Тоз

Тш ,

Рнс.4. Информационная схема процесса карбошаякин

статики процесса, с целью нахождения оптимальных статических режимов, обеспечивающих наилучшие характеристики показателей качества иелсвс.о продукта, в зависимости от изменяющихся условий проведения процесса.

Анализ литературных источников показал, что адекватной .шалити-чесой модели процесса не существует, а создание такой модели для управления проблематично и врчд ли целесообразно. Поэтому в работе были сформулированы подходы к разработке комС. .тированного математического описания статики про. ,;сса на базе аналитических и статистических моделей статики, с возможностью адаптации последних в соответствии с изменяющимися производственными условиями и для целей обеспечения возможности реализации адаптчвного оптимального управления в статике.

Анализ других процессов термообработки производств (сушки и активации) позволяет применить такой же подход к созданию комбинированного математического описания и для управления этими провесами.

В качестве аналитической модели статики процесса карбонизации, используется модель, полученная на основе материальных и тепловых балансов печи и в соответствии с блоком 1 информационной схемы рис. 4.

Модель позволяет огределять значения основных материальных и тепловых потоков печи карбонизации, при заданных значениях расхода и показателей качества исходного продукта, параметров печи карбонизации и температурного режима.

Данная модель может быть разделена на следующие пя^ь блоков:

1. Блок расчета продуктов пиролиза карбонизуемого материала.

Выход карбонизованного материала Сг (кг/ч) определяемся из соотношения:

б»-—СглгС/д-ОУ-С УГ (1),

где См - количество исходного продукте; ч/ц. - количество остаточной влаги в исходном материале, кг/ч; С/. - количество выделяющихся летучих ьеществ, кг/ч; Ссг- количество выделяющейся угольной пыли, кг/ч;

2. Блок расчета тепла сгорания топлива и горючих компонентов.

Общее количество тепла от сгорания всех горючих компонентов (¿1

(кДж/ч):

0.1= йс.ч + йгг + <2*с + £>/+■ 04 (2),

где (?аи - теплота от сгорания смолы, кДж/ч; (¿г г - теплота от сгорания угольной пыли, кДж/ч; 0,\а - теплота от сгорания неконденсируемых газов, кДж/ч; (И и (}4 - теплота от сгорания топлива, кДж/ч.

3. Блок расчета количества продуктов сгорания и паров влаги.

Общее количество продуктов сгорания летучих веществ и паров влаги

С (м'Л:):

С =Сслг+С ге+Слгг+С«.-К7 м (3),

где Сем- количество продуктов сгорания смолы, м'/ч; - количество продуктов сгорания угольной пыли, м'/ч; С/ус - количество продуктов сгора-

них неконденсируемых газов, м3/ч;(Г/г. - количество продуктов сгорания топлива, м3/ч; (7»' - количество паров вла-и в продуктах сгорания, м'/ч.

4. Блок расчета тепловых затрат. Суммарные затраты тепла на процесс О? ('кДж/ч):

(4),

[де '¿17 - затраты теплоты на нагрев материала ст исходном температуры; <Ц»/ - затраты теплоты на испарение влаги из материала и пгрегрев пзра до соответствующей температуры, кД к/ч; <216 - на испарение летучих веществ, к/Ък/ч; (>// - потери теплоты в окружающую среду, хДж/ч: 0,10 -потери теплоты с отходящими газами, кДж/ч.

Расчет избытка теплоты в системе, кДж/ч:

<2=<2ГК,-()2 (5),

где К.ч - КПД топки.

5.Блок расчета количеств воздухл, необходимого для ведения процесса и погашения изб! 1тка тьлла в систтме.

Расчет общего количества воздуха необходим;'О для процесса, м3/ч: во = СН+С9 +<77+67 (6),

где 08 - вторичный воздух, м'/ч, - воздух охлаждения, м'/ч, на горение топлива и СЗ - воздух подсоса через неплотности, м'/ч.

Однако, данная аналитическая модель не решает проблему расчета показателей качества целевою продукта. Эту проблему п данной работа предлагается решать на основе использования адаптируемой статис. ической модели статики процесса. *

В работе предлагается информационная хема процесса карбонизации, на осн.ше блока 2 информационной схемы, как объекта статистическог) моделирования, на основании которой в ТМ АСОДУ осуществляется синтез статистических моделей статики дтя основных показателей качиспза нроцес-а карбонизации: остаточного количества легучих, механической прочностг и на ыпной плотности гранул, в зависимости от режимных параметров и от показателей качества ^сходных некарбониз - апных гранул.

В качестве метода синтеза статистических моделей предлагается ис-полмовагь метол, группового учета аргументов, как наиболее эффективный для выполнения структурной и параметрической идентификации моделей объекта 1м базе статистической информации а виде выборок ограниченного объема (16-24), формируемых в ходе пассивного эксперимента.

В работе для реализации о АСОДУ, предлагается несколько алгоритмов МГУА, из которых наиболее эффективный выбирается при исследовании процесса. Рекомендуемые алгоритмы характеризуются общностью итерационной рекурсивной процедуры формирования моделей нарастающей сложности на базе исходных частных описаний и критерия сходимости итерационной рекурсивной процедуры.

В пределах отдельной итерации модели формируются на базе струкч-у-ры исходного частного описания и отбирается заданное количество лучших моделей по критерию сходимости.

Предлагаемые для использования в АСОДУ алгоритмы МГ'УА: Ье1ес, Ир2, КрЗ, Яр4 различаются исходными частными описаниями:

1). Зе1ес : g(W, А)-о<,+а1а>,+а2о3.

2). Кр2^(УУ.А) = а0-Ю1й},+а3а>1Щ1,

3). Яр.. А) = 00+0,0»;

4). кр4 : А) = аа+а^+а^; &2(\У,А)= Оц+а^/ОЪ .

с; ¿V/ сХ

А - вектор коэффициентов;

Х(,>- вектор лучших моделей на г-ой итерации;

X - вектор входны;. переменных.

На всех последующих итерациях модели синтезируются на базе количества лучших моделей 7.' ' полученных на предыдущих итерациях по рекурсивной процедуре формирования частного описания от частного описания:

где / - опорная функция (частное описание), А - вектор коэффициен-

1) качестве критерия сходимости итерационной и рекурсивной процедур используется критерий минимума смещения СЛ. который определяется как СКО расчетных значений Х^'1 и 2Г/' * на г-ой итерации при разбиении выборки исходных данных ка обучающую И, и проверяющую Ы, подвыбор-кн:

Критерий (7) является оценкой адекватности синтезируемых методом МГ'УА статистических моделей статики процесса. В результате выполнения статистического моделирования процесса карбонизации на базе алгоритма Яр2 в работе были получены и использованы для .исследования модели типа:

С1.К = 9.92 + 1.167*10 3*СМ - 3.81*КН*Р*ОМ + 8.24*10-7*Р*СМА2 - 1.69*10 •*Т* Р*ОМА2 + 1.228* 1а"*Т*Р*СМА2*С1Лч1 + 2.531*1а"*Т*Р*ОМА2*СЬЫ* W;

РЯКОЫ = 70.19 + 4.319е-2>Р + 5.906е-3*РА2 + 1.883е-2*РА2*\У - 5.446е-5* PA2*GM*W + 8.588е-8*Т*РА2*С-М*\У - 6.384е-Ю*Т*РА2*ОМ* CLN *

ЯОкОЫ = 776.6 + 9.68е-2*Т + 5.6е-2*Т*С8 - 5.1е-7*ТА2*С8 - 3.5е-8* ТА2*С1>1*С8 + 3.0е-9*Тл2*СЬЫ*С8*7/;

где Т - температура в зоне карбонизации; Р - разряжение в топке; С1-Ы - содержание летучих в исходном материале; в8 - расход вторичного воздуха; СМ - расход исходного материала; \У - исходная влажность продукта; ЯСЖОЫ - плотность конечного продукта; РЯКСМ - механическая про"-нос(ь конечного продукта;

тов;

(7).

Ввиду сложности процесса н особенностей использования метода статистического моделирования, связзнного с адекватностью моделей в пределах стационарности процесса, в работе предложено использовать метод адаптации моделей, основанный на рериоднческом определении критерия адекватности моделей А<1) (гд; j - номер показателя качества: I - содержание летучих, " - насыпная плотность, 3 - механическая прочность) на основе сравнения текущих значений показателей качества реи]ьн">го процесса у°у, определяемых на основе данных лабораторного анализа с'расчетными по статистическим моделям

где п - объем выборки .юказателе-Ч качества для оценки адекватности, 1 - текущее значение показателя качества;

Если лотя бы один из полученных трех критериев выходит за 5% область, то модели считаются неадекватн ыми.

Решения задачи оптимального упрааления в статике базировалось на использовании предложенного комбинированного математического описания, в заданных диапазонах гзрьирования входных переменных (режимных параметров и показателей качества исходных гранул), исходных ограничениях на входные переменные (соответствующих допустимым диапазонам варьирования показателей качества карбониюванных гранул, обеспечг-пающ"х выпуск активированных гррнул требуемых марок) и целевых функциях, опреде/.яющих эффективное ь процесса карбонизации.

Целевую функцшо предлагается формировать в зависимости от задач, поставленных перед оперативным персоналом:

а), по-умолчаншо она предспвляет собой мультипликативную ком(.,|-нацию основных показателей Кс |ества готового продукта:

б), в случае необходимости максимизировать выход готового продукта:

Р(Х) = С1к*Кок / (Мрг * Ск)

в), ьоэможны н другие целевые функции.

В качестве математического аппарата для г ;шен1 т задачи статической оптимизации предлагается использование комбинации 2-х безградиентных методов нелинейного программирования, как достаточно эффективных методов оптимизации производственных процессов - условиях технологических ограничений.

Однако, эти методы оптимизации позволяют определять только локальные оптимумы, что приемлемо в условиях достаточно узких технологических ограничений, хотя в заданном интервале ограничений обычно находится более одного оптимума.

Для повышения эффективности решенья задачи оптимизации предлагается методика принятия решения, основанная на оценке усредненных

(8),

нх) = аии«* 1 мрг

чтч^нкй целевой функции при поочередной варьировании режимных параметров в пределах ±5% от найденных оптимальных значений:

1 " 10 , Мс/л = УГУ/Л, * (0.95 + 0.1 * к)).

11 "м*=о

где оптимальные значения входных переменных XI, оптимальные злачени". выходных переменных У] и значение целевой функций Р; I, ] 1 -переменная характеризующая оптимум, п - количество входных переменных.

Также определяете. СКО нового режима упраьления от текущего:

Ясоп = . (13)

где Ги - значение текущих режимных парамегров процесса.

В результате оценки усредненных значений целевых функций выбирается режим, соответствующей оптимальному значению ведения процесса с минимальной чувствительностью оптимума и наименьшим откпоиишем нового режима управления от текущего.

Для решения задачи статической оптимизации для ТМ АСОДУ был разработан оригинальный алгоритм подробное описание которого приведено в текстеработы.

Проблема адаптивного управления динамическими режимами, возникающая в связи с изменяющимися оптимальными статическими режимами прч управлении процессом карбонизации, потребовала использования математических моделей динамики процесса по основным каналам управления; обеспечения возможности коррекции параметров моделей динамики объекта в соответствии с расчетными оптимальными режимами; обеспечения возможности коррекции оптимальных настроечных параметров.

Так как процесс карбонизации является процессом термообработки, осложненным химическими преобразованиями, то управление им в динамике, в условиях отсутствия автоматических анализаторов показателей качества, основано на управлении тепловым и гидродинамическими режимами.

Анализ процесса карбонизации, как объеета управления тепловым режимом, выполнен на основании, предложенного в литературных источниках общего теплового баланса:

<2т(Ст)-<2к(Ск.1)+(24К>5+<2т(От)+(27(С7)+{28(08)+()9(С9)-(211(1)-(Ш( ОМ.1)+()12(От}-(213(Сп1)-С)14{Ст)-1215(Ст)-(?1б(Ст)=0 (14)

где (2 - количество тепла приносимое, уносимое или излучаемое соответствующими компонентами.

Ни базе выражения (14) было получено общее уравнение цинамнки процесса:

С * М ^=йт(Ст)-<1к(СкЛ)+йТ(аТ)+0,:[О7)+<28(С8)+0.9(С9)-ат

(}11(1)~С>Ю(СН),1)+<2П(Ст)-й13{С,т/-'214(С,т)-<215(Ст)-16(Ст).

где С - средняя теплоемкость обтекта, КДжДкг 'К');

М - масса объекта, кг;

Дал% обрабатывая уравкгние динамики з соответствии со стандартной методикой были получены передаточные функции по основным кагалам регулироиания.

Для анализа процесса карбонизации как объекта управления гидродинамическим режимом печи карбонизации использовались следующие выражения, заимствованные из литературных ж гочников.

Уравнения старики:

010=07+08+09+03,

где основные факторы, влияюш"е на разряжение ъ топочьой камере; расход вощуха подсоса через неплотности, расход воздуха форсунки, расхоц вторичного воздуха, расход отходящих газов.

Уравнения динамики:

• ^ = Сз + <77 + 6'8 + (79 - <710 (15),

Я*© Л

Где У-объём газа, м3; Мв -молекулярный пес, кг/Кмоль; Л -универсальная газовая постоянная; Р - разряжения в камере,

Па;

В ТМ АСОДУ для осуществления адаптации уграв^лия в динамике используются известные методы расчета оптимальных настроек регуляторов: метод Циглера-Никольса и метод Всесоюзного теплотехнического института. Исходными данными для расчетов являйтся получаемые но расчету динамической молели параметры объекта регулирования. Результатами расчета являются новые настройки дпл ЛАСР, которые в дальнейшем вводятся в микроконтроллеры.

Для осуществления взаимодействия между основными составлявши и технологического модуля АСО ЧУ, с целью обеспечения адаптивного и оптимального управления процессом карбон. )ации в статике и динамике, был разработан алгоритм управления (блок-схема приведена на рис.5.), который може\ работать в автоматическом и автоматизированном режиме.

Пр л а гаем ый алгоритм может быть использован на любой из стадий термообработки производства А Г4' Отработка "лгорртма производилась в работе на примере процесс? карбонизации с использованием разработанной имитационной модели.

В четвертой г1аае_прнводится описание исследования процесса карбонизации и алюризма управления методом имитационного моделирования Описана имитационная модель процесса. Приведен план исслеяованния. Представлены результаты проведенных исследований в виде таблиц и графиков.

Для соыания модуля имитационного моделирования в процессе карбонизации были выделены наиболее существенные регулируемые параметры.

влияющие ни показатели качества процесса, определены основные возмущения и регулирующие воздействия, в а-едствии чего объект был упрощен.

Разработанный модуль имитационного модел1цювания состоит из двух блоков: блока имитации динамического поведения объекта и системы регулирования <Отат> и блока имитирующего работу алгоритма управления для типового технологического модуля <А1зогИт>.

Блок <Отат> содержит: многосвязный объект (печь карбонизации), представленный по основным и вспомогательным каналам математическими моделями апериодических звеньев п:рвого порядка с транспортным запаздыванием, ПИД-регуляторы, идеальный динамический компенсатор, блок возмущений, блок имитации работы исполнительных механизмов и сумматоры. Блок позволяет имитировать нестационарность процесса, накладывать различные варианты шума на основные иараметры.

В блоке <Л150гит> помимо основной фунции осуществляется расчет-показателей качества готового продукта так называемого "объекта", с учетом текущего режима ведения процесса, на базе комплекса регрессиопннхвыражений, которые были получены на основе выра.кс шй полученных на реальном объекте на основе санированного эг перимента, заимствовании* из литературных источников, путем добавления слагаемых с временным гренаом и функции белого шума.

В результате пропедешпгс анализа процесса карбонизации как объекта управления, а также и-полъзуемого алгоритма управления были определены следующие задачи проведения исследовании:

I). Исследование •шитационной модели объекта и допустимых пределах варьирования режимных параметров;

"'Ч. Проверка работоспособности и устойчивости алюритма управления при ненесент ряда возмущений ха, актерных для объекта;

Проведенное исследование показало, что выбранные возмущения действительно приводили модели управления к неадекватности, что приводило , ухудшению показателей качества готового продукта. Также результаты исследования показали, что ..лгоритм ^траалеш'Л работоспособен и возвращает объект в оптимальный режим ведения процесса карбонизации.

11 пятой главе приведено описание разработанного специального программною обеспечения для предлагаемой АСОДУ.

В работе была предложена структура специального программного обеспечен.'я, состоящая из набора АРМов производственного персонала в составе: АРМ начальника с<.!ены; \РМ производств-ннон лаборатории; АРМ подготовительного отделения; АРМ п^цесса сушки; АРМ процесса карбонизации; АРМ процесса активации;

АРМы соответствующих процессов (сушка, кгрбонизац 1я и т.д.) легко (без вмешательстча программиста) формируются на одной базовой разработке, в соответствии с методикой изложенной, в приложении диссертационной работы, на примере процесса карбонизации.

Разработанное ПО обладает удобным интерфейсом и возможностью настройки на необходимый технологический процесс, а также снабжено библиотекой математических методов. В АРМах предусмотрены средства

информационного обмена позволяющие организован четкое взаимодействие оперативного персонал., для управления производсшом.

В ?аклк>чении сформулированы основные теоретические и практические результаты диссертационной работы.

В трнложенияк приведены таблицы с характеристиками основных ь.а-рок активированных углей выпускаемых ОАО "Сорбент", листинги программ для расчета параметров статической и динамической моделей процесса карбонизации, блок-схемы алгоритмов оперативного и календи .юго планирования, а также технииеское описание для аботы с АРМом типового технологического процесса АСОДУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ марок активных гранулированных углей выпускаемых в ОАО "Сорбент" (г. Пермь) и их качественных показателей, а также результ-тоц ряда исследований позволил предположить, что я качественного управления гроизводством каждой отдельной марки требуется свой оптимальный режим ведения процессов термообработки.

2. Производство является сложной ХТС, особенностями которой являются многотоннажность, многоассортиментность и нестационарность. Рассматриваемое производство АГУ, как объект управления, содержит 4 основные стадии: подготовки сырья, сушки, карбонизации и активации. Для него также характерно несбалансированность нагрузки между отдельными стадиями. Основные технологические процессы производства - процессы термообработки, осложненные химическими реакциями. Наиболее существенные возмущения связаны с нестационарностью, сменами партий сырья, переключениями производства на другую марку готовой продукции.

3. Современное состояние автоматизации отечественного производтва активированных углей характеризуется использованием средств локальной автоматики, отсутствием автоматических средств измерения качества сырья и готового продукта, наличием ряда ручных операций по управлений) материальными потоками. Поэтому на основании особенностей технологических процессов, средств управления производством АГУ и анализа современных подходов к управлению такими производствами была обоснована целесообразность применения в качестве системы управления этим производством ьвтоматизироианной системы оперативно-диспетчерского управления.

4. Предложена трехуровневая иерархическая структура АСОДУ (на базе системного подхода), определены ее основные функции, на основе анализа существующего комплекса технических средств производства ОАО "Сорбент", а также с; чествующих систем автоцатиз"рованного управления. Был выделен круг задач, требующих решения на верхнем уровне управлении АСОДУ и предложена структура верхнего уровня АСОДУ содержащая пять основных подсистем.

5. Реализована подсистема планирования, предоставляющая возможность расчега календарного и оперативного гланов, для осуществлен»« функций планирования ироизьодства на верхнем уровне АСОДУ. Анализ

известных процедур координации работы нещ епыьниг. производств показал целесообразность использования на верхнем уровне АСОДУ безыге(ацнон-ных процедур. Однако плохая изученность процесса акшпации не позволрст на данный момент использовать эти процедуры в автоматическом алгоритме управления производством, поз тому в АСОДУ предполагается использовать отдеяььыс фоцедуры расчета и оптимизации ХТС. Эти процедурь: рекомендованы оперативному персоналу для принятия яцекватгух решений по координации основных технологических процессов производства.

6. Предложена структура типового технологического модуля АСОДУ, для осуществления оптималыюго и оперативного управления отельной стадией производства АГУ. Выделены управляющие и ннф зрмациоипые функции для технологического модуля АСОДУ (ТМ АСОДУ). ТМ ЛСОДУ включает в себя техническое, npoipaMMiioe, математическое, информационное и организационное обеспечение для реализации специальных управляющих, ннформационгых и системных функций управления отдельной технологической стадией произвол гва.

7. Раз( аботана методика адаптивного управления статическими режимами для ТМ АСОДУ, основанная hp решении задачи поиска жстремума целевой фучкции, в условиях заданных пронзводственкых ограничениях на режимные параметры, показатели качества исходных гранул и показатели качества обработанных гранул, а также на использовании комбинированного математического описания статики процесса, на (дзе аналитически;; и адаптируемых статистических мпелях процесса.

8. Разработан оригинапьный алгоритм поиска оптимума, основанный на осуществлении многократного поиска безградиентными методами нелинейного программирования (коч.шекс мм методом Бокса и методом Хукь-Джииса) и выполнения процедуры принятия решения, реализующей выбор единственного оптимума, по оценке чувствительности оптималы;ых знач ний лолученных целевых функций к отклонений нозых режимов Ееден я процесса от текущего.

9. Предложена методика адаг.тизпого упрааления процессом карбонизации в динамике на оснозе: использования математического описания динамики процесса, го основным каналам управления; обеспечения возможное, и коррекции параметров модели в соответствии с расчетными оптималы ими статическими режимами; обеспечения возможное—i коррекции оптимальных настроечии-" параметров для локальных систем регулирования, реализованных на нижнем уропне АСОДУ.

10. Разработан оригинальный алгорнз... обеспечивающий адаптивное и оптимальное управление статическими и дипамнчг-.кнми режимами основных технологических процессов производства активированных углей в усло-ииях многоассортнментносгн и многономенклатурносги производства, нестационарности технологических процессов. Для отработан алгоритма управления использовался метод имитационного моделирования.

11. Разработана имитационная модель процесса карбонизации (с использованием инструментальной среды "Model Vision"), позволяющая ■•■оделировать поведение процесса карбонизации и исследовать адекватность

- го -

реакции алгоритма управления im различные возмущении, поступающее с характеристиками исходного продукта или связинные с иесшционирностыо процессо'. 3 результате исследования, проведенною с помощью имитационной модели по разработанному плану, было показано, что предложенный алгоритм управления возвращает объект в оптимальный режим и позволяет получать готовый продукт необходимого качества.

12. Предложена структура специального ПО, состоящая iij набора АРМов 1|ронзиодсгчеиного персонала, с учетом современных подхо, ,>в к созданию ПО дл АСУТП.

Разработанные АРМы предназначены для содействия в вынлщенни функций диспетчера (начальника смены), операторов отдельных процессов, лаборантов. .

Разработанные АРМы производственного персонала переданы заказчику, о чем свидетельствует акт о передаче, приведенный в приложении.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванова Г.В., Бейсенов А.П., Захаров A.C., Леонов И.О. Система оперативно-диспетчерского управления процессом активации углей в производстве углеродных сорбентов // Тез. докл. IV международной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" (КХТП-1У-94). - М.. 1994.-С. 70.

2. Иванова Г.В., Захаров A.C., Котов А.Б., Леонов И.О. Пакет прикладных программ "Синтез" для исследования динамических характеристик типовых промышленных АСР объектов химической технологии // Тез. докл. международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ - 9). -Тверь, 1995. - С. 90-91.

3. Иванова Г.В., Леонов И.О. Автоматизированная система оператнв-но-диспетчерского управления (АСОДУ) производством углеродных сорбентов II Тез. докл. международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ - 10). -Тула, 1996. - С. 52.

4. Иванова Г.В., Леонов И.О. Модули карбонизации АСОДУ производства углеродных сорбентов // Тез. докл. международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (ММХ - 11). -Новомосковск, 1997. -Том2. С. 59.

5. Иванова Г.В., Леонов И.О. Имитационное моделирование процесса карбонизации// Тез. докл. научно-технич. конф. аспирантов Санкт-Петербургского технологического института памяти М.М. Сычева. Спб, 1997.-С.176.

6. Иванова Г.В., Иванова Е.Ю., Леонов И.О. Оптимальное управление ста.нческимн режимами процесса активации углеродных сорбентов II Тез. докл. международной конференции "Математнч^кне методы в химии г технологиях" (ММХТ - 11). - Владимир, 2-5 июня 1998.

7. Иванова Г.Б., Леонов И.О. Способ принятия решения при управлении статическими режимами процесса карбонизации // Тез. докл. международной конференции ММХТ - И. - Владимир, 2-5 нюня 1998.