автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Синтез и оптимизация систем управления реактором с распределенными параметрами

На правах рукописи

ХАЛИФА АМЕР АБДУРАХИМ

СИНТЕЗ II ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРОМ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

(на примере реактора производства малеинового ангидрида)

05.13.06- Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (химическая технология, нефтехимия и нефтепереработка, биотехнология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Новомосковского института (филиала) Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Магергут Валерий Залманович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Егоров Александр Федорович кандидат технических наук, доцент Лобусов Евгений Сергеевич

Ведущая организация - Общество ограниченной ответственности «Оргсинтез», г. Новомосковск,

Защита состоится « 16 » ноября 2006 года в 13 час. в ауд. «конферепц зал» на заседании диссертационного совета Д212.204.03 в РХТУ им. Д.И.Менделеева по адресу; 125190, Москва А-47, Миусская пл., д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре РХТУ им. Д.И.Менделеева.

Автореферат разослан « 10 » октября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212,204.03 --> ЖЕНСА А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Основным аппаратом в технологической схеме получения практически любого химического продукта является реактор. Его работа определяет зачастую производительность всего производства в целом, качество и себестоимость получаемого продукта. Не последнюю роль в оптимизации работы реактора играет автоматизация.

В диссертации рассматривается синтез и оптимизация систем управления реактором в производстве малеинового ангидрида - продукта, широко применяемого в промышленности органического синтеза.

Известно, что химические реакторы отличаются большим разнообразием протекающих в них реакций, принципом действий и конструкций. В то же время, в реакторах можно найти что-то общее, что позволяет говорит о каком-то их классе.

В диссертации речь идет о реакторе в производстве малеинового ангидрида (МА) Новомосковского «Комбината органического синтеза» (КОС), основанном на непрерывном парофазном каталитическом окислении бензола кислородом воздуха и их превращением в малеино-воздушнуго смесь (МВС), из которой затем и выделяют МА. Окисление идет в контактном аппарате -реакторе на стационарном катализаторе. Реакция экзотермическая. Сам реактор представляет собой вертикальный кожухотрубый теплообменник длиной 3500 мм. В его центре встроен парогенератор полного испарения и осевая пропеллерная мешалка, являющаяся одновременно насосом, поднимающим расплав солей, являющихся промежуточным теплоносителем от МВС к парогенератору. Общая высота реактора - 5000 мм, а его диаметр - 4500 мм.

Главная особенность реактора - распределенность параметров, а именно, температурных профилей МВС и солей, по его высоте.

От статической и динамической точности поддержания этих температурных профилей (полей) во многом и зависят все показатели работы реактора: его производительность, определяемая селективностью окисления бензола в МА; качество получаемого МА, определяемое, во многом «проскоком бензола», а также безопасная работа реактора*

Традиционные системы регулирования применяемые для автоматизации работы реактора не обеспечивают безопасного выполнения задачи по интенсификации его работы и поддержания оптимального содержания МА в МВС на выходе из него. Более того, основное управление реактором ведется вручную с использованием лишь вспомогательных АСР, поддержания необходимых технологических величин. При этом вместо поддержания соотношения бензоло-воздушной смеси (ВВС), подаваемой в реактор на уровне 1-.281 (1 часть бензола, 28 - воздуха), при котором содержание МА в МВС на выходе из реактора доходит до 74 %, его ведут на уровне 1:35 ч- 1:40, обеспечивая выход МА не выше 65 %.

1 самовозгарание смеси происходит при соотношении 1:24

В этом плане создание автоматических систем регулирования, позволяющих вести процесс в реакторе в оптимальном (или квазиоптимальном) режиме является актуальным, причем, не только для реактора в производстве МА КОС, но и для всех реакторов подобного класса, прежде всего, реакторов с распределенными параметрами.

Кроме того, рассмотренные в диссертации подходы к исследованию реактора и предложенные системы автоматического управления им, могут быть применены к иным объектам с распределенными параметрами (ОРП), что также делает работу актуальной.

Цель работы заключается в синтезе четких и нечетких систем управления реактором для автоматического высокоточного поддержания в статике и динамике требуемых температурных профилей реактора в производстве МА КОС, а также в исследовании работы этих систем для выбора наилучшего варианта их построения.

Предметом исследования является реактор в производстве МА КОС, как объект управления с распределенными параметрами, и системы автоматического управления его температурным режимом.

В связи с поставленной целью и предметом исследования в работе решались следующие задачи:

1. Статистические исследования работы реактора с целью выявления вида его температурных полей (по МВС и солям) и характера дрейфа их значимых точек, а также определения вида функций принадлежностей для лингвистических переменных, определяющих работу реактора;

2. Разработка тепловой динамической модели реактора, как ОРП, для последующего имитационного моделирования с ней работы систем управления как традиционных, так и предлагаемых.

3. Разработка систем автоматического управления поддержанием температурных профилей (по МВС и солям) в реакторе с использованием системы распределенного сбора измерительной информации и с учетом информации о значениях и дрейфе значимых точек полей.

4. Сравнительный анализ традиционных и предлагаемых систем автоматического управления реактором на основе имитационного моделирования.

5. Разработка нечетких моделей работы реактора и создание на их основе нечетких алгоритмов по управлению реактором.

6. Техническая реализация систем автоматического управления реактором с использованием системы распределенного сбора измерительной информации с учетом технических средств, имеющихся на КОС.

7. Анализ вариантов управляющих автоматов для реализации нечетких систем управления реактором (аппаратных или программных; индивидуальных, на базе специализированных контроллеров или на

базе универсальной программы логического управления) и

предложения по их синтезу в условиях производства МА КОС.

Основные положения, выносимые на защиту:

• тепловая динамическая модель реактора, как объекта с распределенными параметрами;

• результаты имитационного моделирования тепловых процессов в реакторе при использовании традиционных и предлагаемых систем автоматического управления реактором;

• системы поддержания температурных профилей в реакторе с использованием систем распределенного сбора измерительной информации и с учетом информации о значениях и дрейфе «горячей точки» температурного профиля МВС;

• нечеткая модель работы реактора;

• алгоритм нечеткого управления по квазиоптимальному управлению реактором по выходу МА из МВС (селективности окисления бензола);

• функции принадлежности и их вид для лингвистических переменных, определяющих работу реактора;

• решения по техническому синтезу предлагаемых четких и нечетких систем управления реактором производства МА в условиях КОС,

Научная новизна работы заключается в:

1) статистических исследованиях работы реактора по данным журналов регистрации аппаратчиков, которые подтвердили наличие «горячей точки» в температурном профиле МВС реактора, возможность ее дрейфа по значению и положению по высоте реактора в зависимости от нагрузки реактора по бензолу; соотношения бензол-воздух, подаваемой в реактор БВС; температуры «бани» и срока службы катализатора;

2) нахождении лингвистических переменных, определяющих работу реактора, определении их функций принадлежности и их вида;

3) разработке тепловой динамической модели реактора для обоснования применения предлагаемых систем управления реактором;

4) обосновании путем имитационного моделирования возможности эффективного применения для высокоточного поддержания температурных профилей МВС и солей реактора в статике и динамике систем управления с распределенным сбором измерительной информации. Возможный вариант построения таких систем - введение сигнала коррекции от системы сбора, в частном случае, оптимального, измерительной информации в АСР соотношения бензол-воздух и АСР температуры солей;

5) разработке нечеткой модели работы реактора и формализованной записи задачи кавзиоптимального управления реактором по выходу малеинового ангидрида;

6) написании алгоритмов нечеткого управления реактором путем задания требуемого соотношения бензол-воздух БВС, подаваемой в реактор, и

температуры «бани» в зависимости от значений температуры «горячей точки» температурного профиля МВС и ее положения на этом профиле для нечетких знаний о сроке службы катализатора и нагрузке реактора по бензолу;

7) предложении и обосновании нечеткой системы управления реактором, как ОРП, в виде программного управляющего аппарата с использованием алгоритмов по п. 6.

Практическая ценность:

- предложен ряд вариантов систем четкого управления для автоматического высокоточного поддержания требуемых температурных полей МВС и солей в-реакторе, обеспечивающих квазиоптимальный выход МА с реактора при заданных технологических условиях;

предложены алгоритмы нечеткого управления реактором для квазиоптимальной его работы по выходу МА при заданных технологических условиях;

- даны рекомендации по синтезу программного управляющего автомата для реализации нечетких алгоритмов управления реактором;

- показана нецелесообразность аппаратного синтеза управляющего автомата для реализации нечетких алгоритмов управления реактором;

- разработаны схемы реализации предложенных четких систем управления на базе модернизированного микроконтроллера Ломиконт-110 и многоканального измерительного преобразователя МИП Ш711, имеющихся в производстве МА КОС;

- результаты практического выхода диссертационной работы переданы на КОС для их опытно-промышленной проверки и внедрения в производстве малеинового ангидрида.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и практических рекомендаций подтверждается проведенными статистическими исследованиями по данным реальной работы в производстве МА КОС, теоретическими выкладками, результатами имитационного моделирования, инженерными расчетами и практическим опытом по синтезу управляющих автоматов программными и аппаратными способами, накопленным на кафедре АПП НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Методика исследования базируется на использовании методов теории автоматического управления и динамики распределенных процессов в технологических аппаратах; теории распределенного контроля и управления; имитационном моделировании работы предлагаемых систем управления на ЭВМ; методах статистической обработки данных; методах теории нечетких множеств и систем; методах анализа и синтеза систем логического управления; использовании математического аппарата сетей Петри и графов операций; графовом представлении логических алгоритмов и матричном представлении графов операций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 17 и 18 Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ): г. Кострома, 2004 г., г. Казань, 2005 г.; на Международной научно-практической

конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, 2005 г.; на 18 Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии», г. Москва, 2005 г.; на 24 и 25 научных конференциях профессорско-преподавательского состава и сотрудников Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева, г. Новомосковск, 2003 г., 2004 г.; на 5, 7 и 8 научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева (2003, 2005, 2006 г.г.).

Реализация результатов. Результаты исследований по предложенным системам управления реактором, а именно, по высокоточному поддержанию температурных профилей МВС и солей с использованием систем распределенного контроля температур этих профилей и введения сигналов коррекции от них в АРС соотношения бензол-воздух, подаваемый в реактор БВС, и в АСР температуры «бани» переданы на Новомосковский «Комбинат органического синтеза» (в настоящее время ООО «Оргисинтез») для их внедрения в производстве малеинового ангидрида.

Туда же переданы предложения по синтезу нечеткой системы управления реактором для квазиоптимального выхода малеинового ангидрида из МВС на выходе из реактора путем поддержания требуемого соотношения бензол-воздух и температуры «бани» в зависимости от значений температуры «горячей точки» температурного профиля МВС и ее положения по высоте реактора.

На систему автоматического поддержания температурного профиля МВС в реакторе подана заявка на патент (№ 2006101607/15 с приоритетом от 23.01.2006 г.), прошедшая формальную экспертизу (подтверждение ФИПС от 20.04.2006 г.).

Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ: 3 статьи в материалах Международных конференций, 8 тезисов докладов и одна статья в изданиях, рекомендованных ВАКом.

Структура il объем работы. Диссертационная работа изложена на 182 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка (41 наименование) и приложения. Работа содержит 73 рисунка и 5 таблиц.

Содержание работы

Во введении содержится обоснование актуальности диссертационной работы, ее научной новизны и практической ценности. Поставлена цель и формулируются основные задачи работы. Приводится структура диссертации и краткое содержание ее глав. Называются основные положения, выносимые на защиту.

Глава I посвящена рассмотрению технологии производства малеинового ангидрида на Новомосковском «Комбинате органического синтеза» и особенностям реактора в этом производстве как объекта управления.

Главная особенность заключается в распределенности температурных полей потоков малеино-воздушной смеси и солей по высоте реактора, схема которого

с показом существующих АСР и КИП, приведена на рисунке 1. От обеспечения статической и динамической точности этих полей зависит эффективность работы реактора. На схеме обозначено: 1 - реактор (контактный аппарат); 2 - парогенератор; 3 - пропеллерная мешалка. ЁС, ГРС и ТС - соответственно регуляторы расхода, соотношения расходов и температуры; ТЕ - измеритель температуры; Т1 - приборы контроля температуры. Последние обозначения взяты в соответствии с ГОСТ 21.404 - 85 «Обозначения условные приборов и средств автоматизации».

Сформулирована и рассмотрена общая постановка 4-х информационных задач важных для реактора, как ОРП:

♦ сохранения (определения) информации в конкретной точке реактора в случае выхода из строя датчика;

• выбора места установки и числа датчиков получения достаточной и адекватной информации о температурном профиле соответствующего потока реактора;

• графического представления всего температурного профиля, соответствующего потока реактора, по температуре, измеряемой в его отдельных точках;

♦ оптимального сбора измерительной информации (ИИ) с учетом динамики для каждой информационной точки и взаимовлияния их друг на друга.

В то же время, основной упор сделан на задачи управления реактором, как ОРП, являющимися для него основными. При этом рассматривается возможность построения четких и нечетких систем управления реактором.

Однако, вне зависимости от используемых для решения задач управления систем, можно сформулировать главную задачу управления: обеспечение требуемых температурных профилей по высоте реактора, от решения которой во многом зависит количество и качество выпускаемой с реактора продукции и, соответственно, другие экономические показатели всего производства в целом.

На формализованном языке главную задачу можно записать в виде следующей оптимизационной задачи:

(

/, = |[Д0(Ь,г,й")|£/г->ш)п/П , (1)

о и

где 1| - критерий оптимизации, Д9 = 0*(Ь) - 8 (11,7, и) - отклонение соответствующего температурного профиля по высоте реактора, в*(Ь) -требуемый соответствующий температурный профиль по высоте Ь ректора; в (Ь,т,и) - фактический соответствующий температурный профиль; I - текущее время; и - вектор управляющих воздействий; О - ограничения; т- параметр интегрирования - время. При этом в качестве Я могут быть ограничения по расходу БВС, подаваемой в реактор, по соотношению бензол-воздух в МВС, по допустимым значениям температуры полей и другие технолотческие и конструктивные ограничения.

| МВС

Рисунок 1. Схема реактора с показом существующих АСР и КИП

В последнем разделе главы постановка задач исследований н разработок, применительно к созданию тепловой динамической модели реактора, а также синтезу и анализу работы распределенных и нечетких систем управления реактором, приведена с учетом специфики современного этапа (рыночные отношения и конкурентная борьба производителей продукции) и состояния производства малеинового ангидрида (его законсервированность и ожидание пуска на новом катализаторе).

В качестве выводов по главе 1 делается заключение о целесообразности проведения исследований и разработок в области создания четких и нечетких автоматических систем управления реактором с целью вывода реактора в производстве малеинового ангидрида КОС на квазиоптимальный режим работы, а именно, с выхода малеинового ангидрида из малеино-воздушной смеси (МВС) на выходе из реактора с 60 % и ниже (что имеет место при фактически ручном управлении реактором в настоящее время) на 70-75 % при автоматическом.

Такой выход МЛ с реактора обеспечит конкурентоспособность продукта на международном рынке.

Комплексное решение как информационных задач, так и задач управления является основой выведения работы реактора на квазиоптимальный режим работы в автоматическом режиме.

В главе 2 исследуется возможность применения для реактора распределенного управления.

Предварительно были проведены статистические исследования работы реактора по данным журнала регистрации аппаратчиков с целью определения нагрузочных режимов работы реактора; соотношений БВС, при которых обычно ведется процесс; характера температурных профилей потоков в реакторе; поведения значимых точек потоков и др.

В результате этих исследований выявлено наличие «горячей точки» в потоке МВС. Обычно, при нормальном режиме работы реактора, она находится где-то между 3-й и 4-Й точками измерения температуры. Выявлен также дрейф ее положения по высоте реактора и изменение ее значения в зависимости от тех или иных условий проведения процесса.

Соотношение, при котором обычно ведется процесс, составляет не выше 1:35 (1 части бензола; 35 частей - воздуха), при котором выход МА из реактора не более 60 %. Попытка введения коррекции по «горячей точке» (см. пунктирную линию на рисунке 1) в АСР соотношения бензоло-воздушной смеси (БВС), подаваемой в реактор, при заданном веду щем расходе по бензолу (регулятор расхода бензола ГС) не дала эффекта. Процесс фактически ведется вручную, лишь с использованием, показанных на рисунке 1, АСР и при соотношениях далеких от оптимальных.

Таким образом, имеется большой резерв по возможности увеличения данного соотношения в сторону предела самовозгараемости БВС (оно составляет 1:24) с целью увеличения выхода МА с реактора до 75 %.

Для достижения этого в главе исследуется возможность создания и применения для высокоточного поддержания в статике и динамике температурных профилей МВС и солей за счет различных вариантов построения систем управления с использованием информации распределенного контроля о температурных полях реактора. Сделано это путем имитационного моделирования на ЭВМ работы этих систем с использованием построенной тепловой динамической модели реактора (см, рисунок 2), как объекта с распределенными параметрами.

За основу модели с учетом направлений потоков, а это прямые потоки, обусловленные движением БВС и солей в межтрубном пространстве, сверху вниз по реактору, принята ячеечная (по Девятову Б.Н.) модель, согласно которой реактор рассматривается как последовательность ячеек с сосредоточенными параметрами, причём каждая из зон эквивалентна ячейке прямоточного теплообменника, а их число равно числу измерительных термопар, значения температур которых принимаются за выход соответствующей ячейки и вход в последующую. За входную температуру первой ячейки принимается температура солей на выходе из парогенератора, который, в свою очередь рассматриваем как теплообменник с сосредоточенными параметрами, описываемый звеном идеального перемешивания и вытеснения, т.е. апериодическим звеном первого порядка с запаздывающим аргументом, и температура подаваемой в реактор БВС.

На рисунке 2 приняты обозначения: в - температура; х - индекс потока конденсата (пара); г - индекс потока БВС; у - индекс потока солей; верхние индексы - индексы принадлежности к соответствующей ячейке или парогенератору (п); УЫХ и передаточные функции соответствующих сред;

и Wгy - передаточные функции стенки теплообменника в соответствующих направлениях; - передаточная функция, определяющая тепловой эффект реакции.

Дополнительно в модель ячейки, представленной в виде соответствующих передаточных функций \У(р), введена передаточная функция, описывающая тепловой эффект реакции

Выходами модели являются температуры БВС - 9г и солей - Оу соответствующих ячеек, коэффициенты передач которых от соответствующих управляющих воздействий могут быть использованы при расчете системы оптимального сбора ИИ.

Путем структурных преобразований проведено упрощение представленной модели.

Моделирование работы, как традиционных АСР, так и большого числа распределенных (более 20 вариантов) систем управления, проведено с использованием подсистемы моделирования динамических моделей Э1МиЫЫК системы МАТЬАВ 6.0 и 7.0 и ППП «РЕГВИНА», разработки кафедры АПП НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, используемой для определения оптимальных настроек в одноконтурных АСР.

Показана эффективность применения предлагаемых распределенных систем управления для автоматического управления реактором.

Соль

Конденсат

< Парогенератор

Пар на нужды цеха

а)

От ¡-1 ячейки

БВС

Соль

01

ж; (р)

г

1

01

1+1

Кю

¡у; {р) щ{р)

к

К

г ' [

К (р)

Г + б) 1 ^ —

г <

С К1 о':\

На ¡+1 ячейку

Рисунок 2. Тепловые модели парогенератора (а) и ¡-ой ячейки прямоточного теплообменника (б) с учетом тепла реакции.

Возможная система управления, эффективность работы которой подтверждена результатами моделирования, приведена на рисунке 3.

Предлагается, вместо одноконтурной АСР соотношения ВВС с коррекцией по температуре «горячей точки» в реакторе, ввести в эту одноконтурную АСР соотношения коррекцию по сигналу от системы сбора измерительной информации, в частном случае оптимального, о температуре профиля потока МВС по высоте реактора.

Сигнал с последней формируется следующим образом. На рисунке 2 приняты те же обозначения, что и на рисунке 1 с дополнительным обозначением ТУ — функциональный преобразователь сигнала температуры, смысл преобразования которого поясняется в надписи над преобразователем.

Поясняющий коэффициент = 1Д0^ показывает, что сигнал о температуре

с приборов контроля температуры Т1 домножается на этот коэффициент, а X, что сигналы, входящие в соответствующий преобразователь ТУ алгебраически суммируются в них, давая результирующий сигнал I или Д1. Последний и является сигналом коррекции для регулятора соотношения РРС ВВС. В свою очередь, он формируется на преобразователе ТУ, выполняющего роль элемента сравнения, т.е. путем сравнения сигнала I с задаваемым сигналом 7 и получения результирующего сигнала Д1 = I - 7.

Иначе, сигнал 1 представляет из себя сигнал равный:

где Т; - сигнал пропорциональный значению температуры в соответствующей точке по высоте реактора, выдаваемый приборами контроля температуры Т1, К| - домножающий коэффициент (0 < К) £ 1), причем, их значение определяется таким образом, чтобы придавать максимум значению сигнала I, т.е. исходя из решения оптимизационной задачи:

где читается как «следует», / - «при условии», Й - ограничения, наложенные на решение задачи (пределы изменения сигналов Т| , пределы изменения параметров передаточных функций пределы изменения значений К; и другие). Получаемые в результате решения этой оптимизационной задачи весовые коэффициенты К, учитывают и динамику изменения температуры, поскольку в критерии оптимизации I значения Т| будут зависеть от параметров передаточных функций по соответствующим температурным каналам (1) в зависимости от управляющих воздействий (и) по соотношению ВВС (Ыс) и ее количества (и^), что и отражено в (3) показом зависимости Т, как функции от и (К0 , т.е. Т; {, и^ ). В результате решения оптимизационной задачи (3) получаем оптимальные значения весовых коэффициентов К„ которые обычно обозначают звездочкой, т.е. К; делающей систему сбора измерительной информации о температуре оптимальной.

10

/=1 т.к.,

• 1 1 1 1=1

(2)

(3)

Рисунок 3. Предлагаемая система регулирования температуры в реакторе

Вместо нахождения оптимальных значений К,* путем решения оптимизационной задачи (3), их значения можно выбрать интуитивным путем, что превращает систему оптимального сбора измерительной информации в интуитивную, а саму систему управления в интуитивную систему управления.

Отметим также, что в частном случае, сигнал сравнения 7 может быть нулевым. Тогда в качестве корректирующего сигнала используется не сигнал Д1, а сам сигнал I.

Моделирование показало стабильность поддержания температурного профиля как в статике, так и в динамике в сравнении с его поддержанием путем существующей системы - системы изменения соотношения БВС по температуре «горячей точки» (см. рисунок 1). Это позволяет говорить о возможности снижения соотношения БВС в сторону нижнего предела, т.е. к возможности его поддержания на уровне 1:28, что, в свою очередь, позволит существенно увеличить содержание МА на выходе МВС из реактора.

Были промоделированы также и многие другие варианты построения систем управления с использованием информации от систем распределенного контроля, как по профилю МВС, так и солям, показавшие их эффективность и целесообразность их опробывания в действующем производстве малеинового ангидрида.

Для моделирования теплового эффекта реакции использовались последовательно соединенные интегрирующие звенья со звеном «типа насыщения».

Переходные процессы в предлагаемых системах моделировались при различных возмущениях: по количеству подаваемой БВС, по количеству солей, по соотношению бензол-воздух в БВС, определяющему главный тепловой эффект химической реакции. При этом коррекция по системам распределенного контроля профилей МВС и солей вводились как в ЛСР соотношения бензол-воздух БВС, так и в каскадную АСР температуры «бани», при работающих АСР расхода бензола («ведущей» расход) и АСР температуры «бани» по различным точкам их профилей.

Исследованиям возможности применения для автоматического управления реактором, с целью его работы в квазиоптимальном по производительности режиме, нечетких систем управления посвящена третья глава диссертационной работы.

Проведены исследования по выявлению входных и выходных лингвистических переменных, определяющих работу реактора; по результатам статистических исследований получен вид функций принадлежности для них и построены сами функции.

Построена нечеткая модель работы реактора в виде базы правил, описывающих возможные ситуации в реакторе, по данным его текущей эксплуатации и регламентным данным, определяющим работу реактора.

Используя нечеткую модель работы реактора и пакет Fazzy Logic Toolbox для нахождения режимов работы, повышающих выход с реактора малеинового ангидрида, а также экспертные оценки по его оптимальной работе, при тех или иных технологических условиях и ограничениях, дана формализованная

постановка задачи по максимизации селективности окисления бензола в МА на выходе из реактора.

Приведено возможное ее решение, представленное в виде таблиц для построения управляющих автоматов, определяющих какое соотношение бензол-воздух, в подаваемой в реактор БВС, и какую температуру «бани» необходимо задать, в зависимости от положения и значения «горячей точки» температурного профиля потока МВС в реакторе.

Вариант такого табличного задания управляющего автомата для лингвистически заданных срока службы катализатора Б = Б2 («нормальный») и нагрузки реактора 01 = С13 = 720 м3/ч («нормальный») по бензолу приведен ниже.

Таблица

Вариант нечеткого управляющего автомата для поддержания соотношения бензол-воздух БВС (ГР) и температуры «бани» (Т) в зависимости от лингвистически заданных положений «горячей точки» (!Ч) и значения ее температуры (Т1) при 5 - 52 и С1 - С13

N №2 №3 № 4 №5 №6

Т1,°С «малое» «почти «нормаль- «завышен- «большое»

нормальное» ное» ное»

Т11 = 400 1 :29,5 1 :29 1 :28,5 1 : 28,5 1 : 28

«малое» Т2 Т1 Т1 Т2 Т2

Т12= 425 1 :30 1 :29,5 1:29 1:29 1 :28,5

«нормаль- тз Т2 Т2 Т2 Т2

ное»

Т13 - 450 1 : 31,5 1 :31 1 : 30 1 : 29,5 1 :29

«почти Т4 ТЗ ТЗ ТЗ ТЗ

большое»

Т14 = 480 1 :32 1 :31,5 1 : 31 1 : 30 1 :29,5

«большое» Т5 Т4 Т4 Т4 Т4

Номер положения «горячей точки» N определяется номером термопары, измеряющей температуру МВС по высоте реактора.

Устанавливаемое значение температуры «бани» Т определяется по температуре термопары, измеряющей температуру солей в третьей точке сверху по высоте реактора. Ее лингвистические значения при этом соответствуют: Т = Т1 = 340 °С («малое»); Т = Т2 = 360 °С («почти нормальное»); Т = ТЗ = 375 °С («нормальное»); Т = Т4 « 395 {«почти большое») иТ = Т5 = 400 вС («большое»).

Такой управляющий автомат решает задачу квазиоптимального управления следующей оптимизационной задачи:

17

К = АГад = const

i \ I S = S%1= const

/,=С(лг,Л)->т« / * , (4)

I Q\ = GI-JJ = COrtSi безопасность работы где дополнительно приняты обозначения:

13 — критерий оптимизации; С - селективность окисления бензола в МА на выходе МВС из реактора; К - вид катализатора, загруженного в реактор.

Вопросам технической реализации четких и нечетких систем управления, предложенным в главах 2 и 3, посвящена четвертая глава диссертационной работы.

Реализацию нечетких систем управления предложно выполнить посредством программного управляющего автомата на базе универсальной программы логического управления (УПЛУ), разработанной на кафедре АПП НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, написанной на языке DELPHI 6.0 н ориентированной на сочетание с шестой версией SCADA системы Trace Mode фирмы AdAstra.

Показана нецелесообразность аппаратной реализации управляющего аппарата.

Для реализации четких систем распределенного управления рекомендовано использовать уже имеющиеся на КОС технические средства -микропроцессорные контроллеры Ломиконт 110 и многоканальные измерительные пребразователи МИП 111711. Для осовременивания контроллеров их предлагается дополнить новым модулем - модулем ПРЦ-ТМ, позволяющего применять для визуализации управления уже названную выше отечественную SCADA.

Приведены принципиальные и блочные схемы реализации распределенных систем управления на базе названных технических средств.

В заключении работы подводятся научные и практические итоги проведенных исследований, сформулированные ниже.

ВЫВОДЫ

1. Существующие системы регулирования реактора в производстве малеинового ангидрида, как типичного объекта с распределенными параметрами, не позволяют обеспечить оптимальный выход малеинового ангидрида с реактора. Вместо возможного 75 % выхода его значение составляет не более 60 %, что делает продукт не конкурентоспособным на рынке. Причина низкого выхода в подаче в реактор бензоло-воздушной смеси с соотношением, лежащим в пределах 1:35 -ь 1:40 (1 часть бензола, остальное — воздух) вместо

возможного 1:28, т.е. вместо соотношения, сдвигаемого в сторону предела самовозгораемости смеси равного 1:24.

2. Решение задачи по квазиоптимальному выходу мапеинового ангидрида с реактора возможно путем обеспечения статической и динамической точности требуемых температурных профилей потоков МВС и солей по высоте реактора, что можно достичь лишь путем создания высокоточных систем автоматического управления реактором, основанных на иных, чем традиционные, принципах.

3. Разработана тепловая ячеечная модель реактора, как объекта с распределенными параметрами, используемая при исследовании предлагаемых систем управления реактором.

4. Промоделировано более 20 вариантов систем распределенного управления, ряд из которых может быть рекомендован для решения задачи высокоточного поддержания температурных профилей потоков МВС и солей в реакторе. На один из вариантов (рисунок 3) подана заявка на патент.

5. Предложены нечеткие алгоритмы управления реактором, полученные на основе построенной нечеткой модели его работы, для решения той же задачи - квазиоптимального выхода малеинового ангидрида с реактора.

6. Показаны пути технической реализации предложенных распределенных систем управления реактором на базе технических средств, имеющихся в производстве малеинового ангидрида КОС. Для синтеза управляющих автоматов, реализующих нечеткие алгоритмы управления реактором, рекомендованы программные методы на основе универсальной программы логического управления, разработки кафедры АПП НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. Их реализация предполагается на ЭВМ класса Pentium IV.

7. Материалы исследований и разработок переданы на ООО «Оргсинтез» для их промышленного внедрения.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях

1. Халифа Амер, Мазалова С.А., Магергут В.З. Применение методов нечеткого управления и модернизированных контроллеров Ремиконт и Ломнконт для автоматизации реактора в производстве малеинового ангидрида. Тез. докл. V научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск, НИ РХТУ, 2003. С. 12.

2. Халифа Амер, Ковяк К.С., Магергут В.З. Обработка статистических данных реактора в производстве малеинового ангидрида для создания системы нечеткого управления. Тез. докл. XIV научн, конф. профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ. Новомосковск, НИ РХТУ, 2004. С. 63-64.

3. Халифа Амер, Козинов А .Г., Магергут В.З, Применение системы оптимального сбора информации для управления реактором с распределенными параметрами. Тез. докл. XIV научн. конф. профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ. Новомосковск, НИ РХТУ, 2004. С. 81-82.

4. Халифа Амер, Магергут В.З. О двух подходах к автоматизации реактора в производстве малеинового ангидрида. Сб. трудов XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-17). Т. 6. Кострома, КГТУ, 2004. С. 140-142.

5. Шерстняков Э.В., Халифа Амер, Магергут В.З. Создание системы управления объектами с распределенными параметрами. Тез. докл. VII научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов.Ч.2. Новомосковск, НИ РХТУ, 2005. С.86.

6. Халифа Амер, Лопатин А.Г., Магергут В.З. Моделирование поведения системы распределенного управления реактором. Тез. докл. VI 1 научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. 4.2. Новомосковск, НИ РХТУ, 2005. С. 87.

7. Магергут В.З. , Халифа Амер, Бурмистров А.П. Распределенная модель реактора производства малеинового ангидрида для целей управления. Сб. трудов XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-18). Т. 10. Казань, КГТУ, 2005. С. 130- 133.

8. Магергут В.З., Вент Д.П., Халифа Амер. Информационные задачи в обеспечении температурного профиля объектов с распределенными параметрами. Материалы Междун. науч.-практ. конф. «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройкндустрии». Вестник БГТУ им. В,Г. Шугова. № II, 2005. С. 37-39.

9. Халифа А. Синтез системы управления реактором с распределенными параметрами " с использованием системы оптимального сбора измерительной информации. Сб. научн. трудов XIX Междун. конф. молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии». Т. XIX: № 2 / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: 2005. С.36-38.

Ю.Магергут В.З., Лопатин А.П., Халифа Амер, Бурмистров А.П. Задачи, особенности и результаты моделирования тепловых процессов в реакторе производства малеинового ангидрида. Тез. докл. XXV научн. конф. профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. Ч. 1. Новомосковск. НИ РХТУ. 2006. С. 36-38.

11,Халифа Амер, Лопатин А.Г., Магергут В.З. Разработка и моделирование системы управления с коррекцией реактором получения малеинового ангидрида. Тез. докл. VIII научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск. НИ РХТУ. 2006. С. 17 .

12. Магергут В.З., Халифа A.A., Бурмистров А.П. Модель реактора с распределенными параметрами производства малеинового ангидрида. Известия Тульского государственного университета. Серия «Химия», вып.6,2006, С. 204-210.

Подписано в печать0.06, Формат 60x84 1/16, Бумага «5уе1оСору». Отпечатано на ризограф. Усл. печ. л. 1,10. Уч.-изд. л.0,93. Тираж 100 экз. Заказ №346/310

Новомосковский институт. Издательский центр. Адрес университета: 125047, Москва, Миусская пл., 9, Адрес института: 301650, Новомосковск, Тульская обл., Дружбы, 8а.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Реактор в производстве малеинового ангидрида, как пример объекта с распределенными параметрами, и задачи по его управлению и контролю

1.1 Технология производства малеинового ангидрида на Новомосковском «Комбинате органического синтеза»

1.2 Особенности реактора в производстве малеинового ангидрида как объекта управления

1.2.1 Обеспечение температурных профилей в реакторе - главная задача управления. Неэффективность существующих АСР реактора

1.2.2 Возможности по контролю и управлению реактором в свете современных методов и технических средств автоматизации

1.3 Постановка задач исследований и разработок и их специфика на современном этапе.

1.3.1 Создание тепловой динамической модели реактора, как объекта с распределенными параметрами, - важный этап исследований.

1.3.2 К синтезу и анализу работы четких систем управления реактором с использованием систем оптимального и квазиоптимального сбора измерительной информации о его температурных полях.

1.3.3 К синтезу и анализу работы нечетких систем управления реактором

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Синтез и моделирование работы распределенных систем управления реактором.

2.1 Некоторые положения распределенных систем управления.

Варианты построения таких систем для реактора.

2.2 Предварительные статистические исследования работы реактора.

2.3 Тепловая динамическая модель реактора, как объекта с распределенными параметрами

2.4 Имитационное моделирование тепловых процессов в реакторе.

2.4.1 Особенности и задачи моделирования.

2.4.2 Предварительные соображения по исследованию модели и наносимым возмущениям.

2.4.3 Учет особенностей модели и ограничения, вводимые при моделировании.

2.4.4 Моделирование процессов в реакторе при существующих АСР.

2.4.5 Моделирование процессов в реакторе при использовании предлагаемых систем

2.5 Системы управления реактором с использованием системы распределенного сбора измерительной информации.

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Синтез системы нечеткого управления реактором и анализ ее работы.

3.1 Основы работы нечетких систем управления, сбора нечеткой информации и получения нечетких выводов

3.2 Статистические данные по работе реактора и результаты их обработки.

3.2.1 К построению нечеткой математической модели работы реактора

3.2.2 Структурная схема работы реактора для построения нечеткой математической модели и системы управления. Входные и выходные величины

3.2.3 Введение лингвистических переменных

3.2.4 Построение кривых частот появления и определение функций принадлежностей лингвистических переменных

3.3 Написание базы правил и построение нечеткой математической модели работы реактора, исходя из регламентных данных.

3.3.1 Представление результатов построения нечеткой математической модели реактора.

3.4 Написание базы правил для квазиоптимального по выходу малеинового ангидрида управления реактором.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Реализация четких и нечетких систем управления реактором

4.1 Инженерные решения по реализации системы оптимального сбора измерительной информации и формированию корректирующего сигнала.

4.1.1 Реализация на базе модернизированного контроллера ЛомиконтТМ.

4.1.1.1 Назначение модуля PRC-TM.

4.1.1.2 Технические характеристики PRC-TM.

4.1.1.3 Устройство и работа модуля.

4.1.1.4 Применение контроллера Ломиконт ТМ.

4.1.2 Реализация на базе МИЛ Ш 711.

4.2 Реализация логических алгоритмов нечетких систем управления реактором регулярными методами.

4.2.1 К синтезу управляющего автомата реактора на базе универсальной программы логического управления.

4.2.2 К аппаратному синтезу управляющего автомата реактора.

Выводы по главе 4.

Выводы и основные результаты работы

Актуальность работы. Основным аппаратом в технологической схеме получения практически любого химического продукта является реактор. Его работа определяет зачастую производительность всего производства в целом, качество и себестоимость получаемого продукта. Не последнюю роль в оптимизации работы реактора играет автоматизация.

В диссертации рассматривается синтез и оптимизация систем управления реактором в производстве малеинового ангидрида - продукта, широко применяемого в промышленности органического синтеза.

Известно, что химические реакторы отличаются большим разнообразием протекающих в них реакций, принципом действий и конструкций. В то же время, в реакторах можно найти что-то общее, что позволяет говорит о каком-то их классе.

В диссертации речь идет о реакторе в производстве малеинового ангидрида (МА) Новомосковского «Комбината органического синтеза» (КОС), основанном на непрерывном парофазном каталитическом окислении бензола кислородом воздуха и их превращением в малеино-воздушную смесь (МВС), из которой затем и выделяют МА. Окисление идет в контактном аппарате - реакторе на стационарном катализаторе. Реакция экзотермическая. Сам реактор представляет собой вертикальный кожухообразный теплообменник длиной 3500 мм. В его центре встроен парогененератор полного испарения и осевая пропеллерная мешалка, являющаяся одновременно насосом, поднимающим расплав солей, являющихся промежуточным теплоносителем от МВС к парогенератору. Общая высота реактора - 5000 мм, а его диаметр - 4500 мм.

Главная особенность реактора - распределенность параметров, а именно, температурных профилей МВС и солей, по его высоте.

От статической и динамической точности поддержания этих температурных профилей (полей) во многом и зависят все показатели работы реактора: его производительность, определяемая селективностью окисления бензола в МА; качество получаемого МА, определяемое, во многом, «проскоком бензола», а также безопасная работа реактора.

Традиционные системы регулирования применяемые для автоматизации работы реактора не обеспечивают безопасного выполнения задачи по интенсификации его работы и поддержания оптимального содержания МА в

МВС на выходе из него. Более того, основное управление реактором ведется вручную с использованием лишь вспомогательных АСР поддержания некоторых технологических величин. При этом вместо поддержания соотношения бензоло-воздушной смеси (БВС), подаваемой в ректор на £ уровне 1:28 (1 часть бензола, 28 - воздуха), при котором содержание МА в МВС на выходе из реактора доходит до 74 %, его ведут на уровне 1:35 -г 1:40, обеспечивая выход МА не выше 65 %.

В этом плане создание автоматических систем регулирования, позволяющих вести процесс в реакторе в оптимальном (или квазиоптимальном) режиме является актуальным, причем, не только для реактора в производстве МА КОС, но и для всех реакторов подобного класса, прежде всего, реакторов с распределенными параметрами.

Кроме того, рассмотренные в диссертации подходы к исследованию реактора и предложенные системы автоматического управления им, могут быть применены к иным объектам с распределенными параметрами (ОРП), что также делает работу актуальной.

Цель работы заключается в синтезе четких и нечетких систем управления реактором для автоматического высокоточного поддержания в статике и динамике требуемых температурных профилей реактора в самовозгарание смеси происходит при соотношении 1:24 производстве MA КОС, а также в исследовании работы этих систем для выбора наилучшего варианта их построения.

Предметом исследования является реактор в производстве МА КОС, как объект управления с распределенными параметрами, и системы автоматического управления его температурным режимом.

В связи с поставленной целью и предметом исследования в работе решались следующие задачи:

1. Статистические исследования работы реактора с целью выявления вида его температурных полей (по МВС и солям) и характера дрейфа их значимых точек, а также определения вида функций принадлежностей для лингвистических переменных, определяющих работу реактора;

2. Разработка тепловой динамической модели реактора, как ОРП, для последующего имитационного моделирования с ней работы систем управления реактором как традиционных, так и предлагаемых.

3. Разработка систем автоматического управления поддержанием температурных профилей потоков (МВС и солей) в реакторе с использованием системы распределенного сбора измерительной информации и с учетом информации о значениях и дрейфе значимых точек полей.

4. Сравнительный анализ традиционных и предлагаемых систем автоматического управления реактором на основе имитационного моделирования.

5. Разработка нечетких моделей работы реактора и создание на их основе нечетких алгоритмов по его управлению.

6. Техническая реализация систем автоматического управления реактором с использованием системы распределенного сбора измерительной информации с учетом технических средств, имеющихся на КОС.

7. Анализ вариантов управляющих автоматов для реализации нечетких систем управления реактором (аппаратных или программных; индивидуальных, на базе специализированных контроллеров или на базе универсальной программы логического управления) и предложения по их синтезу в условиях производства МА КОС.

Основные положения, выносимые на защиту:

• тепловая динамическая модель реактора, как объекта с распределенными параметрами;

• результаты имитационного моделирования тепловых процессов в реакторе при использовании традиционных и предлагаемых систем автоматического управления реактором;

• системы поддержания температурных профилей в реакторе с использованием систем распределенного сбора измерительной информации и с учетом информации о значениях и дрейфе «горячей точки» температурного профиля МВС;

• нечеткая модель работы реактора;

• алгоритм нечеткого управления по квазиоптимальному управлению реактором по выходу МА из МВС (селективности окисления бензола);

• функции принадлежности и их вид для лингвистических переменных, определяющих работу реактора;

• решения по техническому синтезу предлагаемых четких и нечетких систем управления реактором производства МА в условиях КОС.

Научная новизна работы заключается в:

1) статистических исследованиях работы реактора по данным журналов регистрации аппаратчиков, которые подтвердили наличие «горячей точки» в температурном профиле МВС реактора, возможность ее дрейфа по значению и положению по высоте реактора в зависимости от нагрузки реактора по бензолу; соотношения бензол-воздух, подаваемой в реактор БВС; температуры «бани» и срока службы катализатора;

2) нахождении лингвистических переменных, определяющих работу реактора, определении их функций принадлежности и их вида;

3) разработке тепловой динамической модели реактора для обоснования применения предлагаемых систем управления реактором;

4) обосновании путем имитационного моделирования возможности эффективного применения для высокоточного поддержания температурных профилей МВС и солей реактора в статике и динамике систем управления с распределенным сбором измерительной информации. Возможный вариант построения таких систем - введение сигнала коррекции от системы сбора, в частном случае, оптимального, измерительной информации в АСР соотношения бензол-воздух и АСР температуры солей;

5) разработке нечеткой модели работы реактора и формализованной записи задачи кавзиоптимального управления реактором по выходу малеинового ангидрида;

6) написании алгоритмов нечеткого управления реактором путем задания требуемого соотношения бензол-воздух БВС, подаваемой в реактор, и температуры «бани» в зависимости от значений температуры «горячей точки» температурного профиля МВС и ее положения на этом профиле для нечетких знаний о сроке службы катализатора и нагрузке реактора по бензолу;

7) предложении и обосновании нечеткой системы управления реактором, как ОРП, в виде программного управляющего аппарата с использованием алгоритмов по п. 6.

Практическая ценность: предложен ряд вариантов систем четкого управления для автоматического высокоточного поддержания требуемых температурных полей MB С и солей в реакторе, обеспечивающих квазиоптимальный выход МА с реактора при заданных технологических условиях;

- предложены алгоритмы нечеткого управления реактором для квазиоптимальной его работы по выходу МА при заданных технологических условиях;

- даны рекомендации по синтезу программного управляющего автомата для реализации нечетких алгоритмов управления реактором;

- показана нецелесообразность аппаратного синтеза управляющего автомата для реализации нечетких алгоритмов управления реактором;

- разработаны схемы реализации предложенных четких систем управления на базе модернизированного контроллера Ломиконт 110 и многоканального измерительного преобразователя МИП Ш711, имеющихся в производстве МА КОС;

- результаты практического выхода диссертационной работы переданы на КОС для их внедрения в производстве малеинового ангидрида.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и практических рекомендаций подтверждается проведенными статистическими исследованиями по данным реальной работы в производстве МА КОС, теоретическими выкладками, результатами имитационного моделирования, инженерными расчетами и практическим опытом по синтезу управляющих автоматов программными и аппаратными способами, накопленным на кафедре «Автоматизация производственных процессов» (АПП) Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева (НИ РХТУ).

Методика исследования базируется на использовании методов теории автоматического управления и динамики распределенных процессов в технологических аппаратах; теории распределенного контроля и управления; имитационном моделировании работы предлагаемых систем управления на ЭВМ; методах анализа и синтеза систем логического управления; использовании математического аппарата сетей Петри и графов операций; графовом представлении логических алгоритмов и матричном представлении графов операций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 17 и 18 Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ): г. Кострома, 2004 г., г. Казань, 2005 г.; на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, 2005 г.; на 18 Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии», г. Москва, 2005 г.; на 14 научной конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева, г. Новомосковск, 2003 г.; на 5, 7 и 8 научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева (2003, 2005, 2006 г.г.).

Реализация результатов. Результаты исследований по предложенным системам управления реактором, а именно, по высокоточному поддержанию температурных профилей МВС и солей с использованием систем распределенного контроля температур этих профилей и введения сигналов коррекции от них в АРС соотношения бензол-воздух, подаваемой в реактор БВС, и в АСР температуры «бани», переданы на Новомосковский «Комбинат органического синтеза» (в настоящее время ООО «Оргисинтез») для их внедрения в производстве малеинового ангидрида.

Туда же переданы предложения по синтезу нечеткой системы управления реактором для квазиоптимального выхода малеинового ангидрида из МВС на выходе из реактора путем поддержания требуемого соотношения бензол-воздух и температуры «бани» в зависимости от значений температуры горячей точки» температурного профиля МВС и ее положения по высоте реактора.

На систему автоматического поддержания температурного профиля МВС в реакторе подана заявка на патент (№ 2006101607/15 с приоритетом от 23.01.2006 г.), прошедшая формальную экспертизу (подтверждение ФИПС от 20.04.2006 г.).

Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ: 3 статьи в материалах Международных конференций и 8 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 182 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка (41 наименование) и приложения. Работа содержит 73 рисунка и 5 таблиц.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе сделан анализ состояния с получением малеинового ангидрида на Новомосковском «Комбинате органического синтеза».

Существующие традиционные системы регулирования (одноконтурные и каскадные) реактора в производстве малеинового ангидрида, как типичного объекта с распределенными параметрами, не позволяют обеспечить оптимальный выход малеинового ангидрида с реактора. Вместо возможного 75 % выхода его значение составляет не более 65 %, что делает продукт не конкурентоспособным на рынке. Причина низкого выхода в подаче в реактор бензоло-воздушной смеси (БВС) с соотношением, лежащим в пределах 1:35 1:40 (1 часть бензола, остальное - воздух) вместо возможного 1:28, т.е. вместо соотношения, сдвигаемого в сторону предела самовозгораемости смеси равного 1:24.

Решение задачи по квазиоптимальному выходу малеинового ангидрида с реактора возможно путем обеспечения статической и динамической точности требуемых температурных профилей потоков малеино-воздушной смеси (МВС) и солей по высоте реактора, что можно достичь лишь путем создания высокоточных систем автоматического управления реактором, основанных на иных, чем традиционные, принципах.

В этом плане сделан вывод о том, что обеспечение температурных профилей потоков МВС и солей в реакторе является главной задачей управления.

Для решения главной задачи разработана ячеечная модель реактора, как объекта с распределенными параметрами, используемая при моделировании предлагаемых систем управления реактором и исследованиях, связанных с выбором их наилучшего варианта.

Всего промоделировано более 20 вариантов систем распределенного управления с получением более 400 переходных процессов в различных точках реактора и возможных кривых разгона объекта управления - реактора по различным каналам.

Ряд из предложеных системы распределенного управления может быть рекомендован для решения задачи высокоточного поддержания температурных профилей МВС и солей в реакторе. На один из вариантов подана заявка на патент.

Наряду с исследованием четких решений по управлению реактором рассмотрены и нечеткие алгоритмы его управлением, поскольку процессы, протекающие в реакторе, носят зачастую неопределенный характер в силу сложности химизма реакции, распределенности параметров по высоте реактора, измерения температур в потоках МВС и солей в дискретных точках, качественном суждении о ряде показателей работы реактора и др.

Построена нечеткая модель работы реактора на основе которой предложено решение главной задачи по высокоточному поддержанию температурных профилей потоков в реакторе и, как следствие, квазиоптимальному выходу малеинового ангидрида с реактора путем синтеза управляющих автоматов, воздействующих на соотношение БВС, подаваемой в реактор, и температуры «бани» по показаниям о положении и значении температуры «горячей точки» реактора.

Показаны пути технической реализации предложенных распределенных систем управления реактором на базе технических средств, имеющихся в производстве малеинового ангидрида КОС, с некоторой их модернизацией, а именно, применением для управления вместо контроллера Ломиконт 110 его модернизированного варианта Ломиконт ТМ, а также возможного решения с использованием многоканального преобразователя МИПШ711.

Для синтеза управляющих автоматов, реализующих нечеткие алгоритмы управления реактором, рекомендованы программные методы на основе универсальной программы логического управления, разработки кафедры АПП НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. Их реализация предполагается на ЭВМ класса Pentium IV.

Материалы исследований и разработок переданы на ООО «Оргсинтез» для их последующего использования и промышленного внедрения. Последнее позволит выйти на выход по малеиновому ангидриду с реактора на уровень близкий к 70-75 % и сделать продукт предприятия конкурентноспособным.

Результаты исследований и разработок доложены автором на ряде Международных научных конференций и опубликованы в их материалах и трудах [6, 39, 40, 41].

1. Технологический регламент цеха № 22 производства малеиновогоангидрида ОАО «Комбинат органического синтеза». Новомосковск, 2001.

2. Молдавский Б.Л., Кернос Ю.Д., Малеиновый ангидрид и малеиноваякислота. Л.: Химия, 1976. - 88с.

3. Ломиконт ТМ. PC совместимый многофункциональный контроллер с

4. ТРЕЙС МОУД. Чебоксары: Электроприбор. 2005,- 4 с.

5. Аристова Н.И., Корнеева А.И., Промышленные программно-аппаратныесредства на отечественном рынке АСУ ТП. М.: ИПУ, 2000. - 486 с.

6. SСADA-продукты на российском рынке. (Тематический выпуск) // Миркомпьютерной автоматики. 1999, № 3 -104 с.

7. Магергут В.З., Вент Д.П., Халифа Амер. Информационные задачи вобеспечении температурного профиля объектов с распределенными параметрами // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. № 11, 2005. С.37 - 39.

8. Аль Таамнех Мохаммед Абдель Рахим. Автоматизация многозонныхэкструдеров на основе адаптивных и нечетких позиционных систем управления. Дисс. канд. техн. наук. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2003. - 153 с.

9. Девятов Б.Н., Демиденко Н.Д., Охорзин В.А. Динамика распределенныхпроцессов в технологических аппаратах, распределенный контроль и управление. Красноярск. СО АН СССР. 1976. С. 166-169.

10. Косяков Ю.Б. Мой мозг. Строение, принцип работы, моделирование. М.:1. Синтег, 2001.- 164 с.

11. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами. М.: Высшая школа, 2003.- 299 с.

12. Прикладные нечеткие системы. Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно. -М.: Мир, 1993.-368 с.

13. Круглов В.В., Дли М.И., Годунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Физматлит, 2001.- 224 с.

14. Лукас В.А. Основы фази-управления. Учебное пособие. Екатеринбург, 2000. - 52 с.

15. Алиев В.А., Церковный А.Э., Мамедова Г.А. Управление производством при нечеткой исходной информации. М.: Энергоиздат, 1991. - 382 с.

16. Кафаров В.В., Глебов М.Е. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М. : Высшая школа., 1991.- 400 с.

17. Балакирев B.C., Дудников Е.Г., Цирлин A.M. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов. -М.: Энергия, 1973. -270 с.

18. Копелович А.П. Автоматическое регулирование в черной металлургии. Краткий справочник. М.: Металлургиздат, 1963. 408 с.

19. Магергут В.З., Вент Д.П., Кацер И.А. Инженерные методы выбора и расчета оптимальных настроек промышленных регуляторов. Новомосковск: НФ РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1994. 158с.

20. Вент Д.П., Магергут В.З., Кацер И.А. Пакет прикладных программ «Выбор регулятора и расчет его оптимальных настроек» ППП РЕГВИНА. ОФАП % 1041, ГосФАП № 50890001394. Калинин: ЦПС, 1988.

21. Болнокин В.Е., Чинаев П.И. Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ. Алгоритмы и программы. М.: Радио и связь, 1986. - 248 с.

22. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988. -128 с.

23. Химельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.-534 с.

24. Ротач В.Я. Возможен ли синтез нечетких регуляторов с помощью теории нечетких множеств? // Промышленные АСУ и контроллеры, № 1, 2004. С. 33 -34.

25. Балакирев B.C., Володин В.М., Цирлин A.M. Оптимальное управление процессами химической технологии. М.: Химия, 1978. 384 с.

26. Цирлин A.M. Оптимальное управление технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1986. 400с.

27. Говоров А.А., Сухинин Е.В., Баженов В.И. Микропроцессорные контроллеры в автоматических системах регулирования: Учебное пособие. Тула: ТГУ, 1999. 191 с.

28. Промышленные контроллеры Ломиконт, Ремиконт. Чебоксары: Электроприбор, 2003. 68 с.

29. Преобразователь измерительный цифровой многоканальный Ш 711 / 1И. Руководство по эксплуатации. Уа 2.728.000 РЭ. Ужгород: ПО «Закарпатприбор», 1991. 142 с.

30. Юдицкий С.А., Магергут В.З. Логическое управление дискретными процессами. Модели, анализ, синтез. М.:.Машиностроение, 1987. -176 с.

31. Построение пневматических дискретных управляющих устройств на базе аппаратуры системы ЦЖЛ / Т.К.Берендс, Т.К.Ефремова, А.А.Тагаевская и др. 2-е изд.М.: ИПУ, 1975. 101 с.

32. Магергут В.З., Вент Д.П. Ермолаев А.В. Разработка и применение программ логического управления и адаптивной настройки регуляторов в управлении технологическими процессами // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, № 6, 2003. С. 164-166.

33. Бунысо Е.Б., Юдицкий С.А. Программы реализации сетей Петри в асинхронных устройствах логического управления // Автоматика и телемеханика, 1983, № з. С. 109-119.

34. Перов В.П., Магергут В.З., Шутов В.Н. Пакет прикладных программ «Имитационное моделирование и реализация управляющих автоматов, описываемых сетью Петри». ППП «ИМИРА». ОФАП № 1042, ГосФАП № 50890001395, Калинин: ЦПС, 1989.

35. Анзимеров Д., Медведв С., Айзин В. Структура и основные функции Trace Mode. 6 и T-Factory 6 // PC Week, № 31, 2003. С. 27-28, 38.

36. Ефремова Т.К., Тагаевская А.А., Шубин А.Н. Пневматические комплексы технических средств автоматизации. М. Машиностроение, 1987. - 280 с.

37. Получение малеинового ангидрида парофазным окислением бензола / Ж.Э. Муша, С.А. Гиллер и др. Д.: Химия, 1978. 216 с.

38. Проректор по науч! Новомосковского РХТУ им. Д.1. УТВЕРЖДАЮ

39. Учитывая вышеизложенное, комиссия рекомендует принять предлагаемую методику и техническую документацию для опытно-промышленной проверки на реакторах производства малеинов.ого ангидрида ООО «Оргсинтез».

40. Представители НИ РХТУ: Представители ООО «Оргсинтез»:1. Профес(1. ПП, д.т.н. Магергут В.З.

41. Нач. цеха «|>Лалеиновый ангидрид»1. Подвигайлов А.С.1. Аспирант каф. АПП1. Нач. цеха КРШ1. Игнатов Н.Т.1. А.Халифа1. СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ

42. Проректор по научной Главный инженеррев А.В.1. АКТ №2передачи методики и технической документации построения нечеткой системы управления реактором в производстве малеинового ангидрида на базе программного управляющего автомата

43. Зав. кдф^фПП, д.т.н., профессор Вент Д.П.1. Професс1. ПП, д.т.н.1. Магергут В.З.1. Аспирант каф/АПП1. А.Халифа

44. Представители ООО «Оргсинтез»:1. Дире^тор^! > дроизводетву1. Цевелев A.M.

45. Малеиновый ангидрид» Подвигайлов А.С.

46. Нач. цеха КИП iM^ua-i^. Игнатов Н.Т.