ИЕРАРХИЯ УПРАВЛЕНИЯ. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМ ПРЕДПРИЯТИЕМ И ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ



ТЕМА 3

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Управление — это процесс формирования и реализации управляющих воздействий, направленных на достижение некоторой цели.

Объект управления — объект, для достижения результатов функционирования которого необходимы и допустимы специально организованные воздействия.

Под технологическим объектом управления (ТОУ) понимают совокупность технологического оборудования и реализуемого в нем технологического процесса. Под объектом управления (ОУ) в химической технологии понимают технологический процесс, осуществляемый в определенном аппаратурном оформлении, в котором один или несколько химико-технологических параметров, характеризующих состояние процесса, поддерживаются на заданном уровне или изменяются по определенному закону. В химической промышленности к типовым ОУ относят реакторы, массообменные колонны, теплообменники, насосы, вентиляторы и другие аппараты и устройства технологических установок, включая трубопроводы.

Цель управления — достижение желаемых результатов функционирования объекта. Цель управления формируется вне системы управления и является входным сигналом системы управления. Для системы управления одним и тем же объектом цель управления может быть сформулирована по-разному и может изменяться во времени. Например, целью управления ректификационной установкой на нефтеперерабатывающем заводе может быть:

• получение максимального количества высококачественного бензина при переработке 1 т нефти;

• получение максимума прибыли при переработке 1 т нефти;

• минимизация энергетических затрат на переработку 1 т нефти и т. п.

 

Состояние объекта управления описывается функциями ,  = 1,2, ..., п, которые называются параметрами состояния (переменными состояния). Совокупность параметров состояния образует вектор состояния:

Чтобы перевести объект управления в желаемое состояние, ведущее к достижению цели управления, необходимо воздействовать на некоторые параметры состояния, называемые управляемыми (или регулируемыми) параметрами. Обозначим их совокупность вектором

Управляемые параметры являются выходными сигналами (выходами) ОУ (рис. 1).

В химической технологии к управляемым параметрам можно отнести температуру, давление, уровень, рН, плотность, концентрацию и другие переменные, характеризующие состояние технологического процесса, к управляющим переменным — расходы теплоносителя, хладагента и т. д. (иногда выражаемые опосредованно через положения затвора клапана, заслонки, обороты двигателя).

Состояние объекта управления может изменяться в результате воздействий на него двух типов: управляющих и возмущающих (см. рис. 1). Оба типа воздействий являются входными сигналами (входами) ОУ. В системах управления ХТП управляющие воздействия представляют собой изменения материальных или энергетических потоков.

Объект управления является открытой системой и находится в динамическом взаимодействии с внешней средой. Изменения внешних условий, влияющие на состояние ОУ, называют возмущающими воздействиями. Вектор возмущающих воздействий:

Рис. 1. Структурная схема объекта управления

Возмущающие воздействия способны вывести ОУ из желаемого состояния. Это своего рода «вредные» воздействия, нарушающие нормальный ход технологического процесса в объекте управления. Вид, характер изменения и величина возмущающих воздействий могут оказаться определяющими при выборе структуры системы управления.

Возмущающие воздействия делятся на:

• контролируемые и неконтролируемые;

• допускающие и не допускающие стабилизацию.

Контролируемые возмущающие воздействия можно измерить (например, изменение расхода вещества, подаваемого из одного аппарата в другой, изменение температуры теплоносителя).

Неконтролируемые возмущающие воздействия невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно (например, падение активности катализатора, изменение коэффициентов теплопередачи и массопередачи, изменение давления греющего пара в заводской магистрали). Наличие такого рода возмущающих воздействий требует применения САУ с обратной связью.

Возмущающие воздействия, не допускающие стабилизацию, по условиям работы невозможно или недопустимо стабилизировать (например, изменение температуры окружающей среды).

Возмущающие воздействия, допускающие стабилизацию, — это изменения тех технологических параметров, которые могут быть стабилизированы с помощью специальной аппаратуры или с помощью системы автоматического регулирования. Как правило, такими технологическими параметрами являются параметры входящих в аппарат потоков. Например, можно сгладить колебания расхода на входе в аппарат, установив перед аппаратом ресивер (буферную емкость), а температуру входного потока можно стабилизировать, установив перед аппаратом теплообменник с системой автоматического регулирования температуры.

Иногда возмущающие воздействия делят на внешние и внутренние.

Внешним возмущающим воздействием (или просто возмущающим воздействием) называют воздействие на систему внешней среды. Например, температура окружающей среды влияет на объект регулирования и может вывести его из желаемого состояния (резкое изменение температуры окружающей среды может привести даже к останову химического реактора).

Внутренние возмущающие воздействия возникают внутри системы управления. Например, гранулы ванадиевого катализатора, загружаемые в реактор окисления диоксида серы «в навал», образуют неупорядоченный слой, генерирующий гидродинамические неоднородности, что приводит к появлению «температурных пятен», а это в свою очередь — к изменению активности катализатора, к повышенному его запылению и, как следствие, увеличению гидравлического сопротивления реактора. Таким образом, каталитический реактор является нестационарным объектом, т. е. его свойства изменяются во времени. Однако при исследовании систем управления проще рассматривать объекты как стационарные, а влияние изменяющихся свойств объекта на его состояние выражать с помощью внутренних возмущающих воздействий.

С помощью управляющих воздействий система управления влияет на состояние ОУ для достижения цели управления. Вектор управляющих воздействий:

Управляющие воздействия формируются управляющим устройством (УУ). Формирование управляющих воздействий включает:

• сбор, передачу и обработку необходимой информации;

• анализ информации;

• принятие решений, определяющих управляющие воздействия.

Реализация управляющих воздействий включает передачу управляющих воздействий и при необходимости преобразование их в форму, непосредственно воспринимаемую объектом управления.

Примечание

В простейшем случае управляющим устройством является автоматический регулятор. В более широком смысле под управляющим устройством можно понимать совокупность персонала и автоматических устройств, связанных общей задачей управления, которую называют управляющей системой. Автоматические устройства, входящие в управляющую систему, по своим функциональным признакам можно подразделить на устройства контроля и диагностики, сигнализации, блокировки и защиты, регулирования, управления. Сюда же можно отнести и вычислительную технику.

В любой момент времени состояние детерминированного объекта является функцией начального состояния объекта и входных воздействий (возмущающих и управляющих):

Используя введенные термины, можно сказать, что управление — это определение состояния , обеспечивающего достижение цели, и управляющего воздействия , которое приведет объект в это состояние, удовлетворяя при этом ограничениям, которые накладываются на  и

Регулирование отличается от управления тем, что желаемое состояние объекта известно (задано) и для достижения этого состояния необходимо определять только

Значение управляемого параметра, соответствующее желаемому в данный момент состоянию ОУ, будем называть заданным значением и обозначать .

Системой автоматического управления (САУ) называется система, представляющая собой совокупность объекта управления и управляющего устройства, взаимодействие которых между собой обеспечивает процесс управления без участия человека.

Для системы управления входными величинами являются:

• возмущающие воздействия;

• цель управления.

Системой автоматического регулирования (САР) называется совокупность объекта управления и управляющего устройства (называемых в этом случае объектом регулирования и регулятором), которые без участия человека обеспечивают процесс регулирования.

Для системы регулирования входными величинами являются:

• возмущающие воздействия;

• задающее воздействие.

Человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимального управления в различных сферах человеческой деятельности, называют автоматизированной системой управления (АСУ). То есть АСУ — это система управления, часть функций которой, главным образом функцию принятия решений, выполняет человек.

Степень участия человека (оператора) в управлении может быть различной и определяется задачами, стоящими перед системой управления, наличием разработанных методов управления и технических средств управления. Возьмем в качестве примера управление химическим реактором непрерывного действия. Вывод реактора на режим, определяемый технологическим регламентом (например, после капитального ремонта), или останов реактора являются довольно сложными задачами управления и решаются с помощью АСУ, т. е. при участии человека. После вывода реактора на технологический режим управление реактором, а также контроль, сигнализация, блокировка и защита реактора осуществляются системой управления без участия человека. Тогда можно считать, что на этапе работы реактора в технологическом режиме система управления является автоматической.

ИЕРАРХИЯ УПРАВЛЕНИЯ. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИМ ПРЕДПРИЯТИЕМ И ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

В зависимости от объектов управления различают:

• АСУП — автоматизированная система управления предприятием;

• АСУ ТП — автоматизированная система управления технологическим процессом;

• САР — локальные системы автоматического регулирования.

В АСУП объектом управления является предприятие; в АСУ ТП — технологический процесс; в локальных САР — механизм, машина, технологический аппарат.

Управление химическим предприятием осуществляется по многоуровневому иерархическому принципу.

На нижнем уровне иерархии находятся локальные САР, которые регулируют отдельные технологические параметры. Локальные САР входят в состав АСУ ТП и играют роль своеобразных усилителей управляющих сигналов, формируемых на более высоких уровнях управления.

Локальная САР состоит из объекта управления (ОУ) и управляющего устройства (УУ), которые взаимодействуют между собой. ОУ является динамической системой, состояние которой изменяется под действием возмущающих  и управляющих воздействий.

При нормальном протекании процесса технологические параметры имеют номинальные значения. Возмущающие воздействия могут изменять технологические параметры, выводя ОУ из установленного регламентом режима. При регулировании непрерывных ХТП цель регулирования на нижней ступени иерархии заключается в поддержании определенных технологических параметров на заданном уровне с помощью УУ.

Условно к управляющему устройству на нижнем уровне иерархии можно отнести средства автоматического контроля (преобразователи и измерительные устройства), логические устройства (автоматический регулятор или программируемый логический контроллер), технические средства изменения энергетических и материальных потоков (регулирующие клапаны и исполнительные механизмы). АСУ ТП находятся на более высоком уровне иерархии. На этом уровне управления решаются задачи отыскания оптимальных режимов совместно работающих технологических аппаратов, распределения нагрузки между отдельными технологическими аппаратами с применением управляющих ЭВМ. Системы управления обеспечивают:

• необходимый объем дистанционного контроля, управления и автоматизации объектов управления;

• сигнализацию о состоянии технологического оборудования и отклонении технологических параметров объектов от их номинальных значений (последние характеризуют нормальный технологический режим ведения процесса), что позволяет своевременно предупредить персонал о возможности возникновения аварийного режима работы;

• защиту окружающей среды от вредных воздействий (газовые выбросы, жидкие стоки и т. д.);

• сбор, обработку (включая фильтрацию измеряемых величин — выделение полезных сигналов), хранение полной достоверной и своевременной информации, представление ее на верхний уровень управления (АСУП) для просмотра и анализа состояния ХТП;

• улучшение диагностики технологического оборудования и протекания ХТП;

• повышение надежности и экономичности работы объектов управления, что сокращает время простоев технологического оборудования.

Следующий уровень иерархии представляют АСУП. На этом уровне решаются не только задачи управления ХТП, но и экономические задачи (управление финансово-хозяйственной деятельностью, планирование ресурсов и т. п.). Управление осуществляется с применением управляющих ЭВМ. Наиболее значимым в современных условиях ресурсом производства, в том числе химического и нефтехимического, становится информация. Знания о потребностях рынка и заказчиках, о ценах на сырье, товарные продукты и энергоносители, о ресурсах производства и управлении качеством вырабатываемой продукции, о материально-техническом снабжении, об экологических требованиях и реальной обстановке, о предаварийной или аварийной ситуации на объектах производства входят составной частью в АСУП. В мировой практике такой уровень управления называется Enterprise Resource Planning (ERP) — планирование заводских ресурсов.

Замечание

Исторически сложилось так, что до последнего времени АСУП и АСУ ТП развивались обособленно и независимо друг от друга. Наиболее характерно это было для программного обеспечения (ПО). В результате каналы обмена информацией между подсистемами АСУП и АСУ ТП оказ&аись слабыми. Но в настоящее время прогресс информационных технологий, глобализация сети Internet, использование Web-решений начинают затрагивать промышленную сферу. Ведущие производители средств промышленной автоматизации выпускают новые виды программно-технических средств для АСУ ТП, основанные на использовании современных информационных технологий, которые позволяют интегрировать системы верхнего (экономического) и нижнего (технологического) уровней. Таким образом, речь идет об интеграции АСУП и АСУ ТП в единую систему предприятия на основе создания единого информационного пространства. При этом одной из основных проблем создания интегрированных систем управления в рамках химического предприятия является проблема сопряжения и совместного действия ПО, традиционно используемого в подсистемах разного уровня.

ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

В основе построения систем управления лежат некоторые общие принципы управления, определяющие, какую текущую информацию использует управляющее устройство для формирования необходимого управляющего воздействия.


Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 400; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!