Обобщённый подход к автоматизации управления и интенсификации сложных химико-технологических систем

УДК 66.08; 62-51

Г.А. Кардашев, Н.В. Мокрова ОБОБЩЁННЫЙ ПОДХОД К АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ И ИНТЕНСИФИКАЦИИ СЛОЖНЫХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Предлагается обобщённый подход к автоматизации систем управления, основанный на использовании методов декомпозиции и управляющих физических воздействий как одного из целевых факторов интенсификации различных процессов химической технологии, на примере производственных процессов переработки природного сырья.

Автоматизация управления, физическое воздействие, иерархичность, открытость, избирательность, взаимосогласованность.

GA. Kardashev, N.V. Mokrova INTEGRATED APPROACH TO MANAGEMENT AND INTENSIFICATION AUTOMATION OF COMPLEX CHEMICAL PROCESS SYSTEMS

Suggested is an integrated approach to management systems automation, based on the usage of decomposition methods and operational influence as one of the target factors of intensification of diverse processes of applied chemistry, for example of production processes of primary products processing.

Management automation, physical influence, hierarchy, openness, selectivity, interconsistency.

Изменение объективных условий функционирования промышленных предприятий, связанное с ростом их размеров и сложности, обусловливает необходимость модернизации технологических процессов, координации элементов производства, совершенствования структуры и интенсификации посредством систем управления. Для эффективного и устойчивого функционирования предприятий актуален комплексный анализ способов эффективного управления сложными химико-технологическими системами (ХТС) с целью интенсификации производственных процессов.

Предлагается обобщённый подход, основанный на использовании системной методологии и методах явной декомпозиции, реализуемые в виде иерархически-взаимосвязанного управления сложными ХТС, в котором дополнительные управляющие физические воздействия выступают в качестве одного из целевых факторов интенсификации. В связи с большой размерностью общей задачи многоуровневой оптимизации для сложных ХТС предлагаются эвристические принципы для отдельных подзадач, обеспечивающие сокращение размерности и нахождение решений оптимальных по заданной целевой функции и учёте ограничений.

Постановка задачи

Специфика моделирования и управления сложными технологическими системами зачастую базируется на традиционном использовании известных моделей. В то время как для разработки теоретических и методологических основ создания иерархических высокотехнологичных систем со сложным взаимодействием элементов, необходимо дополнительно изу-

181

чить и расширить сферы использования подобных структур на практике с учётом экологических и социальных приоритетов современных производств и условий ограничения ресурсов.

Сложные ХТС характеризуются наличием выделяемых стадий обработки; переменным составом сырья и высокими требованиями к качеству продукции. Обобщённая схема управления для технологического процесса формализована в соответствии с методами химической кибернетики В.В. Кафарова [1] в виде технологического процесса «входное вещество (материальные потоки) ^ входное управляющее воздействие ^ вещество на выходе» (рис. 1). На схеме обозначены х, (а) и у, () - вектора материальных входных потоков с заданными свойствами и соответственно выходных потоков с требуемыми свойствами. Технологические стадии не соединены материальными потоками, что дает возможность выбора операций подготовки сырья и подразумевает наличие рециклов. Подобная схема позволяет выделить в технологической линии результирующую стадию, определяющую конечную продукцию с обусловленными экономическими и технологическими критериями воздействий, а также формирует иерархическую структурную организацию. Она же в свёрнутом виде может использоваться, как для отдельного аппарата, или группы аппаратов, так и для отдельной условной представительной процессной единицы технологического процесса или аппарата [2, 3].

Рис. 1. Обобщённая схема сложного технологического процесса

Формулирования новых задач информационных и автоматизированных систем управления (АСУ) [4] подразумевают поиск и постановку на производстве новых задач оптимального управления, которые могут оправдать затраты на создание систем управления сложными ХТС на сегодняшний день становятся всё более актуальными [5].

Способы поиска новых технических решений при помощи морфологического анализа как инструмента системного подхода в научных исследованиях обоснованы Ф. Цвикки [6]. Развивая их, А.И. Половинкин [7, 8] предложил методы поискового проектирования и конструирования, используемые для оптимизации выбора определённой совокупности физических принципов действия различных устройств и, соответственно, их технических решений. Вопросы интенсификации технологических процессов на физическом уровне и выбор оптимальных воздействий в этом направлении исследованы в работах Г. А. Кардашева и Михайлова П.Е. [9], Шаталова А. Л. [10].

Интенсификация технологических процессов направлена на увеличение их экономической эффективности в результате целенаправленного влияния на производительность оборудования, поиска технологических ресурсов, сокращения затрат материалов и энергии, повышения качества продукции и эффективности автоматического управления. Остановимся на рассмотрении задач интенсификации как совершенствовании существующего технологического процесса, оборудования и, в частности, систем автоматизации.

Обобщенные принципы построения систем управления

Теоретической основой исследования методов и основных принципов управления сложными технологическими системами (СТС) являются методы декомпозиции, реализуемые в системах управления с учётом поведения, как взаимосвязанных подсистем, так и элементов других уровней иерархии [3, 5]. Обобщение понятия «управление» на все стадии построения ХТС от проведения НИОКР до её реализации и эксплуатации приводит к включению дополнительных управляющих физических воздействий как одного из целевых факторов интенсификации [2]. При таком обобщённом подходе задачи «автоматизации» и «интенсификации» сливаются в одну комплексно решаемую проблему.

Первым шагом в построении систем автоматизированного управления является анализ с целевым выделением объектов класса СТС и формирование правил их разбиения на подсистемы. Под подсистемой в данном случае будем подразумевать условную физически реализуемую единицу, для которой обусловлена возможность выбора воздействия на энергетическом и информационном уровне. Уровень этого разделения определяется характером поставленной задачи и способами реализации. Как правило, в задачах автоматизации самый нижний уровень - это отдельный аппарат или его элемент; в задачах интенсификации - отдельная молекула, гранула катализатора и т.п.

Вторым шагом является формулировка ряда общих принципов построения автоматизированных систем иерархически-взаимосвязанного управления при наличии у системы технологического ресурса модернизации (рис. 2). Под технологическим ресурсом модернизации будем понимать ряд общих характеристик, направленных на повышение экономической эффективности, экологической безопасности, модернизацию и интенсификацию технологических процессов.

Выделенные ниже принципы подтверждены проведенными исследованиями существующих АСУ и анализом технологических составляющих производственных цепочек [5] и выбором оптимальных дополнительных физических воздействий [2, 10].

Рис. 2. Этапы построения автоматизированных систем управления

Принцип иерархичности в настоящее время является неотъемлемой частью всех производственных систем и тесно связан с понятием системности. Данный принцип формирования систем управления позволяет избирательно воздействовать энергетически или физически на интегрированные взаимосвязанные уровни иерархии в условиях развивающегося производства, возможного обновления элементов системы управления. Реализация принципа иерархичности, в конечном счёте, приводит к возможности управления на физическом уровне на основе иерархии математических моделей объектов управлении с условием решения общего комплекса задач автоматизированного управления, выполняемого всей системой, на базе взаимосвязанных моделей подсистем, а не путем их простого технического сопряжения.

Открытость системы в смысле возможности изменения способов воздействия на её элементы и изменения отдельных характеристик этих элементов является неотъемлемой частью интенсификации процессов и повышения эффективности системы управления СТС. В рамках этого принципа объекты управления образуют открытую периодически обновляемую динамическую систему, активно взаимодействующую с производственной средой. Открытость тесно связана с понятием гибких производств, характеризующихся изменением характеристик используемого сырья, марок выпускаемой продукции, а также возможностей диверсификации производства. Обоснованием принципа открытости служат предложенные способы интенсификации производственных процессов. Введение в существующую технологию дополнительных управляющих физических воздействий позволяет существенно интенсифицировать ряд процессов [2, 9, 10].

Избирательность при построении автоматизированных систем управления СТС заключается в определении или введении наиболее существенных связей смежных элементов и уровней, влияющих на глобальную функцию системы и позволяющих производить воздействия на её элементы. Эффективность разбиения сложных структур на подсистемы на технологическом уровне и структуризация задачи декомпозиции позволили сделать выводы о необходимости выбора определённых связей, которые должны быть сформулированы в каждом конкретном производственном процессе с учётом технологических требований и в ряде случаев требуют привлечения экспертов и использования методов экспертного анализа [11]. Обобщая эту идеологию на выбор вида физического воздействия необходимо руководствоваться определённой целью, например сокращением времени, самой длительной стадии или/и обеспечением заданного качества продукта [12].

У словие взаимосогласованности наиболее существенных связей смежных элементов и уровней иерархической системы необходимо в рамках решения глобальной задачи управления. При этом на любом уровне иерархии требования к системе допустимо рассматривать как ограничения на выбор возможностей на нижестоящих уровнях. Задача согласованного управления в активных производственных системах возникает по причине наличия у подсистем собственных целей функционирования и обусловлена, в частности различиями темпов наступления отслеживающих событий в различных звеньях технологических линий или уровнями иерархии; различиями масштабов старения средств автоматизации управления и промышленного оборудования; изменениями характеристик сырья и полупродуктов и т.п. Согласование физического воздействия и конкретного технологического процесса или отдельной его стадии являются решающим фактором эффективности в целом. Естественно, что подобное согласование должно проводиться с учётом отклика выделенных элементов системы на дополнительные акустические и электромагнитные поля и их пространственновременные распределения [2, 10].

Сформулированные принципы не являются исчерпывающими, их тесная взаимосвязь обосновывает применение методов иерархически-взаимосвязанного управления и включения в число управляющих факторов физических воздействий. Формулировка подобных принципов, возможное их дополнение и развитие обусловлены невозможностью построения фор-184

мальной модели управления производством с позиции «раз и навсегда» и динамичности объектов класса СТС с выделенными в ходе исследования свойствами и характеристиками. Процесс сушки может служить типичным примером, на котором можно проиллюстрировать изложенные выше принципы.

Интенсификация процессов тепломассопереноса

Процессы сушки, пропитки и т.п. могут служить примером решения локальной подзадачи нижнего уровня. Физический анализ показывает, что лимитирующей стадией процесса сушки дисперсных материалов служит массоперенос влаги из внутренних областей капиллярно-пористых тел, гранул и т.п. структур. Декомпозиция, таким образом, приводит к этим элементарным структурным единицам. Согласование и избирательность воздействия напрямую связаны с акустическими и электромагнитными характеристиками этих многофазных систем. Учёт частотно-избирательных свойств воды в диапазоне сверхвысоких частот электромагнитных волн приводит к выбору этого вида воздействия для интенсификации испарения влаги, а частотно-избирательного акустического отклика отдельных пор или капилляров приводит к интенсификации её конвективного переноса влаги [2]. Таким образом, данный тип управления является оптимальным как по способу «доставки», так и использования необходимой энергии воздействия (управления). Разумеется, техническая реализация подобных решений может быть и весьма нетрадиционной. Например, интенсификация ряда процессов оказывается связанной с реакцией на импульсное (широкополосное) воздействие, генерируемое электрическим разрядом в жидкости [6]. Включение подобных управлений в контекст общей задачи позволяет существенно интенсифицировать процессы и модернизировать производство.

Построение системы управления многостадийным процессом

В целом создание систем управления, начиная от этапа структурного анализа, определения состава уровней и реализации функций управления элементами системы до апробации обоснованных методик и алгоритмов решения глобальных задач определяется необходимостью их дальнейшего совершенствования.

Примером реализации вышеперечисленных принципов является производственный процесс тонкой очистки кобальтовых растворов от примесей железа и меди по гидрометаллургической схеме [5]. Его исследование с использованием методологии системного анализа позволяет определить возможности интенсификации и привести практические рекомендации для эффективной реализации иерархически-взаимосвязанного управления.

Основным методом, применяемым в промышленных масштабах для очистки кобальтовых растворов от примесей Гв, N, Си, А1, является способ осаждения основных солей и гидроокисей этих металлов, основанный на различном значении pH их выделения. Процесс осаждения указанных примесей сводится к выщелачиванию растворов кальцинированной содой. К особенностям технологических линий на основе гидрометаллургических методов многостадийной очистки можно отнести: неоднородный состав исходного сырья, многокомпонентные технологические потоки, неподдающиеся точному покомпонентному анализу; специфика химических превращений.

В данном случае дополнительные (нетрадиционные) воздействия не подключаются, а перераспределяются в пространстве и времени уже существующие в данной технологии за счёт решения общей задачи на основе предложенного подхода. При создании системы автоматизированного управления СТС выделена и рассмотрена на уровне существующих в ней физических воздействий подсистема тонкой очистки кобальтового концентрата.

Процесс осуществляется в батарее из четырех реакторов, соединённых последовательно. В системе управления решены задачи автоматического контроля и регулирования

технологических параметров для отдельных аппаратов. Поэтому ключевой для управления является задача автоматического физико-химического анализа состава никель-кобальтовых растворов на содержание никеля, кобальта, меди и железа в потоках. Концентрация металлов измеряется при помощи фотометрического анализатора ОРРА - 203. Измерение происходит в пяти точках (в исходном растворе, на выходе каждого из трех реакторов и на выходе из до-зревателя). Непосредственный покомпонентный анализ сложного по составу раствора в нескольких точках позволил значительно повысить концентрацию целевого продукта за счёт возможности выбора управляющего воздействия.

Нижний уровень системы управления составляют подсистемы общего назначения, реализующие функции стабилизации температуры, давления и pH раствора, функции оптимизации каскадного управления и программно-логическое управление. Система управления имеет уровни статической оптимизации и стабилизации технологических параметров. На каждом из них действуют свои возмущающие воздействия, компенсируемые на данном уровне. Для систем стабилизации возмущения являются внутренними (изменение нагрузки на аппараты, отклонение параметров от регламентных значений, влияние окружающей среды, сбои в работе аппаратов). На верхнем уровне решена глобальная задача достижение наилучшей очистки кобальтовых растворов от примесей. Для задач верхнего уровня возмущения имеют внешний характер и связаны с характеристиками выпускаемой продукции.

В общем виде задача управления технологическим процессом тонкой медеочистки рассмотрена как задача статической оптимизации, так как возмущения и управляющие переменные изменяются медленно и подлежат усреднению за некоторый интервал времени. Задача оптимального управления каскадом реакторов сформулирована как получение максимального содержания кобальта на выходе из последнего реактора при соблюдении технологических ограничений на содержание железа и меди.

Выбор методов математического моделирования осуществлён на основе сравнения моделей, учитывающих сложную кинетику химических реакций, в пользу метода на основе аппроксимационных подходов в условиях ограниченной выборки исходных данных, что даёт возможность избирательного анализа применительно к математическому описанию [1, 5]. Построение моделей осуществлено с использованием результатов анализа состава сложных многокомпонентных растворов, что привело, как уже отмечено, к возможности оперативного и качественного влияния на процессы извлечения примесей. Проанализированные динамические зависимости содержания примесей и целевого продукта в реакторах каскада позволили выработать рекомендации по выбору управляющих воздействий для стадий, позволяющие получить концентрации меди и железа, отвечающие ограничениям задачи.

Реализовано иерархически-взаимосвязанное управление, как на уровне подсистемы очистки, так и на уровне общей схемы переработки кобальтовых растворов. Для решения задачи оптимального управления предложен и апробирован метод явной декомпозиции, на основе разработанной методики получено устойчивое решение. Определены допустимые оптимальные значения управляющего воздействия на каждой стадии, позволяющие повысить выход кобальтового продукта. Процедура координации метода явной декомпозиции обеспечивает согласованную работу звеньев технологической системы и заключается в соблюдении неразрывности потоков по концентрации, которая возможна при управлении основным реагентом на каждой стадии.

Интенсификация процесса очистки в каскаде реакторов проведена на основе использования прогрессивных приборов анализа состава многокомпонентных смесей, математических моделей различной степени сложности и комплекса методов декомпозиционного управления с взаимосогласованным решением задач разного уровня иерархии. Применение новых методов анализа растворов в процессе переработки кобальтосодержащего сырья позволило на основе корректировки математических моделей повысить выход целевого продукта.

Выводы и практическое обоснование

В работе предложены новые подходы к созданию открытых систем автоматизированного управления при условии избирательного выбора существенных взаимосвязей элементов сложных ХТС и возможности качественного изменения их состояния и согласованных с ними дополнительных управляющих физических воздействий на элементы декомпозированных систем. Применение системного подхода к анализу объектов химической технологии и построению комплексного математического описания технологических процессов, с учётом свойств исходного сырья, качественных характеристик продукта, требований технологии, ремонтопригодности, формализованных функциональных ограничений позволяет предложить эффективную систему мер по интенсификации производств. Основные результаты работы позволили в частности модернизировать ряд производственных процессов на промышленных предприятиях в рамках сложных технологических систем переработки природного сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кардашев Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты / Г.А. Кардашев, П.Е. Михайлов. М.: Машиностроение, 1973. 223 с.

2. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии / Г.А. Кардашев. М.: Химия, 1990. 208 с.

3. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1976. Интеллектуальные системы и инженерное творчество в задачах интенсификации химикотехнологических процессов и производств. / Дорохов И.Н., Меньшиков В.В. 2005. 584 с.

4. Глушков В.М. О диалоговом методе решения оптимизационных задач. // Кибернетика, 1975. № 4. С. 2-6.

5. Мокрова Н.В., Основы построения автоматизированных систем иерархически-взаимосвязанного управления сложными технологическими процессами переработки природного сырья. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МГУИЭ, 2010. 32 с.

6. Zwicky F., Discovery, Invention, Research - Through the Morphological Approach / F. Zwicky. Toronto: The Macmillian Company, 1969.

7. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества / А.И. Половинкин. М.: Машиностроение, 1988. 104 с.

8. Автоматизация поискового конструирования: Искусственный интеллект в машиностроительном проектировании: монография / под ред. А.И. Половинкина. М.: Радио и связь, 1981. 344 с.

9. Кардашев Г.А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты / Г.А. Кардашев, П.Е. Михайлов. М.: Машиностроение, 1973. 223 с.

10. Шаталов А. Л. Интенсификация тепломассообменных процессов электромагнитным полем сверхвысокой частоты. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / А.Л. Шаталов. М.: МГУИЭ, 1999. 53 с.

11. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий / Т. Саати. М.: Радио и связь, 1993. 320 с.

12. Мокрова Н.В. Система управления процессом очистки кобальтовых растворов / Н.В. Мокрова, В.М. Володин / Приборы и автоматизация. 2007. №3 (81). С. 15-17.

Кардашев Генрих Арутюнович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника, электроника и электроавтоматика» Московского государственного университета инженерной экологии

Мокрова Наталия Владиславовна -

доктор технических наук, доцент кафедра «Информационные технологии» Московского государственного университета инженерной экологии

Статья поступила в редакцию 5.07.11, принята к опубликованию 3.10.11