Система автоматического управления элементами дистилляции на базе многомерного логического регулятора

УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА

УДК 681.5

А. Ф. Антипин, А. И. Каяшев, Е. А. Муравьева

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАМИ ДИСТИЛЛЯЦИИ НА БАЗЕ МНОГОМЕРНОГО ЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА

Предложено с помощью многомерного логического регулятора с четкими термами и компенсацией взаимного влияния контуров регулирования реализовать логическое управление дистилляционной колонны. Показано, что использование многомерного логического регулятора позволяет снизить перерегулирование в среднем на 53% и повысить точность регулирования на (40 45)%. Многомерный логический регулятор; элемент дистилляции; компенсация взаимного влияния контуров

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость логического управления элементами дистилляции обусловлена высокой сложностью технологического процесса регенерации аммиака [1] (пульсации показаний расходомеров при измерении расхода многофазной среды, запаздывание исполнения управляющих воздействий, инерционность исполнительных механизмов, налипание и образование наростов продукта на стенках трубопроводов и др.), что затрудняет использование типовых методик настройки ПИД-регуляторов и не позволяет настроить регуляторы на устойчивую работу с требуемой точностью.

В данной статье с помощью многомерного логического регулятора с переменными в виде совокупности аргументов двухзначной логики и компенсацией взаимного влияния контуров регулирования (МЛР) [2, 3] реализовано логическое управление дистилляционной колонны, которая состоит из следующих основных элементов: дистиллера (ДС), теплообменника дистилляции (ТДС) и конденсатора дистилляции (КДС).

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТА ДИСТИЛЛЯЦИИ НА БАЗЕ МЛР

Регенерация аммиака (КИ3) из маточного раствора производится ступенчатой отгонкой паром по мере прохождения фильтровой жидкости (ФЖ) через тарелки по дистиллерной колонне (ДК). Смешивание ФЖ и известкового молока (ИМ) производится в смесителе (СМ).

Основными показателями оптимального режима работы элемента дистилляции являются: содержание СаО в жидкости из ДС (зависит от

Контактная информация: andrejantipin@ya.ru

значения pH жидкости на выходе из СМ) и концентрация КИ3 в жидкости из ДС.

Система автоматического управления (САУ) элемента дистилляции выполняет следующие функции:

1) автоматическое поддержание температурного режима колонны путем изменения расхода пара в ДС с учетом концентрации NH3;

2) автоматическое регулирование подачи ИМ (по основному и дополнительному потокам) с учетом значения pH и концентрации АН3.

Система автоматического регулирования элемента дистилляции содержит в своем составе следующие виды ПИД-регуляторов:

1) ПИД-регулятор расхода пара на дистиллер. Задание формируется в зависимости от следующих параметров: температура ФЖ из ТДС в СМ (ТФЖ), температура газа из ДС в СМ (ТГдС), температура газа на выходе из КДС (ТКдС), концентрация АН3 из ИС ДС (Ож), расход ФЖ (Яфж).

2) ПИД-регулятор расхода ИМ (по основному потоку). Задание формируется в зависимости от следующих параметров: ТФЖ, pH жидкости из СМ в ДС (рНЖ), температура ИМ в гребенке (ТиМгХ QNH, ^ФЖ.

3) ПИД-регулятор расхода ИМ (по дополнительному потоку). Задание формируется в зависимости от следующих параметров: рНЖ, Ош, температура жидкости из СМ (ТжсМ), расход ИМ по основному потоку (^ИМО).

На рис. 1 представлена упрощенная структурная схема системы регулирования элемента дистилляции на базе МЛР, где:

ПИДпдС - ПИД-регулятор расхода пара на

ДС;

ПИДИМО - ПИД-регулятор расхода ИМ (по основному потоку);

ПИДимд - ПИД-регулятор расхода ИМ (по дополнительному потоку);

БР, РУ - задание и текущее значение регулируемого параметра соответственно;

А. Ф. Антипин, А. И. Каяшев, Е. А. Муравьева • Система автоматического управления элементами дистилляции... 127

X1 ^ Xn - технологические параметры, предназначенные для формирования заданий ПИД-регуляторов.

Рис. 1. Структурная схема системы регулирования элемента дистилляции на базе МЛР

Многомерный логический регулятор предназначен для формирования заданий ПИД-регуляторов с учетом взаимного влияния технологических параметров и контуров регулирования, а также для блокировки и сигнализации аварийных ситуаций.

Автоматическое регулирование основных параметров элемента дистилляции можно реализовать по алгоритму, блок-схема которого представлена на рис. 2.

Значения основных параметров элемента дистилляции (температуры газа на выходе из КДС, pH жидкости из СМ в ДС и концентрации NH3 из ИС ДС) необходимо постоянно поддерживать в пределах, установленных технологическим регламентом (Тсдс™”, ТВДстах; рД^, р^ах; NHзmm, NHзmax соответственно).

На рис. 3 представлены четкие термы основных параметров элемента дистилляции, интерпретированные согласно блок-схеме алгоритма регулирования, изображенной на рис. 2. Каждому из термов на универсальной числовой оси (pH, NH3, ТКдС) соответствует определенное множество значений, лежащих в соответствующих интервалах. Значения интервалов четких термов можно получить из знаний экспертов. При этом поведение регулятора будет аналогично поведению человека-оператора, что позволит при достаточной простоте алгоритма регулирования с наибольшей скоростью и без перерегулирования приблизиться к заданным значениям технологических параметров.

На рис. 4 представлен фрагмент системы фаззификаторов и дефаззификаторов МЛР элемента дистилляции в инструментальной среде разработки системы автоматизированного проектирования многомерных логических регуляторов «САП МЛР» [4]. Параметры, отмеченные как "ВХОД" и "ВЫХОД", обозначают собой входные и выходные дискретные сигналы многомерного объекта управления (X б, У Б).

На рис. 5 представлен фрагмент системы продукционных правил и управляющих воздействий МЛР элемента дистилляции в среде разработки САП МЛР. Данная система правил является регулирующей. Для построения компенсационной системы правил необходимо провести ряд экспериментов (от 2 и более) при работе регулятора с реальным многомерным объектом управления.

2. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА МЛР ЭЛЕМЕНТА ДИСТИЛЛЯЦИИ

В качестве примера построения системы компенсационных правил МЛР элемента дистилляции проведем следующий эксперимент: значение pH жидкости на выходе из СМ в определенный период времени будет поддерживаться в заданном диапазоне значений в многосвязном режиме работы регуляторов, затем - в сепаратном режиме (активен только контур подачи известкового молока по дополнительному потоку).

На рис. 6 представлены временные зависимости значений pH жидкости из СМ и расхода ИМ по дополнительному потоку Г (в м3/час) в многосвязном и сепаратном (штриховая линия) режиме работы МЛР, где п - момент снятия показаний приборов.

На рис. 7 представлены графики разностной функции Щ и функции компенсации Щ влияния контуров на контур подачи ИМ по дополнительному потоку, где

ир = ит - иа.

Функция и является зеркальным отображением экспериментально полученной разностной функции и относительно оси абсцисс п. Очевидно, что при точном отображении компенсирующая функция и полностью компенсирует влияние остальных контуров на рассматриваемый контур регулирования МЛР.

Измерение температуры газа из конденсатора дистилляции

нет

Увеличить подачу пара в ДС

<-----------------------------

Уменьшить подачу пара в ДС <-----------------------------

Измерение расхода ИМ

Измерение pH жидкости на выходе из смесителя

нет

Увеличить подачу осн. и доп. ИМ Уменьшить подачу осн. и доп. ИМ

Измерение содержания 1\1Н3 в жидкости из дистиллера

нет

Уменьшить подачу доп. и осн. ИМ Увеличить подачу доп. и осн. ИМ

Рис. 2. Блок-схема алгоритма регулирования основных параметров элемента дистилляции

р

Ы

Я

"о

к

2

О)

"О

К

И

н

О)

"О

О)

н р я к к

о о И О го

и

л Е Й х

о

го

о

я

а

и

о

о

н

го

« я К £ а чЗ к р § §

И

н

р

к

о

н

сл

сл

Большое отклонение

Среднее отклонение

Малое отклонение

Значение в норме

Малое отклонение

Среднее отклонение

Большое отклонение

й

м

я

к

к

М<Ущс)

н.д.

Большое отклонение

Среднее отклонение

Малое отклонение

Значение в норме

Малое отклонение

Среднее отклонение

Большое отклонение

*!

00

00

СП

00

VI

00

00

00

Большое отклонение

Среднее отклонение

Малое отклонение

Значение в норме Малое отклонение

Среднее отклонение

Большое отклонение

~сз

а:

А. Ф. Антипин, А. И. Каяшев, Е. А. Муравьева • Система автоматического управления элементами дистилляции... 129

ВХОДНЫЕ БЛОКИ ДЛР

№ Т ип Название

1 ЯП ВХОД 1.1

2 ЯП ВХОД 1.2

3 ЯП ВХОД 2.0

4 ЯП ВХОД 3.6

5 БФ Темп. ФЖ

8 БФ Т емп. ГДС

7 ЯП Т емп. К ДС

8 БФ Расход ФЖ

ВИД/ОБОЗНАЧЕНИЕ

0

9 БФ

Й0ІЛ 01

ШРІЛ

йоит 07

V. )

ПАНЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ

0

Количество чётких термов:

ВЫХОДНЫЕ БЛОКИ ДЛР

* й ° о ^ в £

№ Тип Название

ЛП ВЫХОД 5.2

2 ЛП ВЫХОД 5.3

3 БД ИМ (осн. поток]

4 БД ИМ

5 БД Пар на ДС

7 ЛП ВЫХОД 8.0

^

ВИД/ОБОЗНАЧЕНИЕ 0

ґ ч Є ЛП

NN 01

лоитрит

NN 02

V. )

ПАНЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ 0

Количество чётких термов: 2

Рис. 4. Система фаззификаторов и дефаззификаторов МЛР элемента дистилляции в среде САП МЛР

Рис. 5. Фрагмент системы продукционных правил МЛР элемента дистилляции в среде САП МЛР

pH

8,85 -V

3,68 ------1------г------1-------1------1-------г-------1---*

О 2 4 6 8 10 12 14 л

Рис. 6. Значения pH жидкости на выходе из СМ и расхода ИМ по дополнительному потоку Р в течение заданного периода времени

йр

-0.03 ---------------------------------------------

Рис. 7. Графики разностной функции Пр и функции компенсации Пк влияния контуров на контур подачи ИМ по дополнительному потоку

Рис. 8. Структурная схема МЛР с компенсацией влияния на отдельный контур регулирования

А. Ф. Антипин, А. И. Каяшев, Е. А. Муравьева • Система автоматического управления элементами дистилляции... 131

На рис. 8 представлена структурная схема МЛР с компенсацией влияния на отдельно взятый контур всех остальных контуров регулирования, где:

РСПП - регулирующая система продукционных правил МЛР;

КСПП - компенсирующая система продукционных правил МЛР;

Ф, Д - фаззификатор и дефаззификатор МЛР соответственно;

МОУ - многомерный объект управления;

ХБ, ГБ - дискретные входные и выходные сигналы МОУ.

Среднее значение управляющего воздействия МЛР в рассматриваемом интервале значений pH

и = и + и = и + 0,035.

Рис. 9. Изменение значения pH жидкости на выходе из СМ в течение заданного периода времени

На рис. 9 представлены временные зависимости значений pH жидкости на выходе из СМ, составленные на основе п ежечасных показаний приборов, в САУ элементом дистилляции без МЛР и с использованием МЛР с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования (штриховая линия).

Из рис. 9 следует, что использование МЛР с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования в системе управления элементом дистилляции позволяет снизить перерегулирование в среднем на 53% и повысить точность регулирования на (40 ^ 45)%.

ВЫВОДЫ

1. Предложена структурная схема системы регулирования элемента дистилляции (дистил-ляционной колонны) на базе МЛР.

2. Компенсирующая система продукционных правил позволяет решить основную проблему синтеза многомерных регуляторов и предназначена для исключения в установив-

шемся режиме взаимного влияния контуров регулирования МЛР друг на друга.

3. Показано, что использование МЛР с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования в системе управления элемента дистилляции позволяет снизить перерегулирование в среднем на 53% и повысить точность регулирования на (40 ^ 45)%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крашенинников С. А. Технология кальцинированной соды и очищенного бикарбоната натрия. М.: Высшая школа, 1985. 287 с.

2. Муравьева Е. А., Антипин А. Ф. Многомерный дискретно-логический регулятор расхода воздуха парового котла с минимизацией времени отклика // Вестник УГАТУ. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика». 2009. Т. 13, № 2 (35). С. 83-87.

3. Муравьева Е. А., Байманов И. Ф. Дискрет -но-логическая система регулирования величины pH электролита в производстве хлора методом электролиза // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности: науч.-техн. журн. 2008. № 1. С. 10-13.

4. Каяшев А. И., Муравьева Е. А., Антипин А. Ф. Система автоматизированного проектирования многомерных логических регуляторов: Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2009614305. 2009.

ОБ АВТОРАХ

Антипин Андрей Федорович,

асп. каф. автоматиз. хим.-технолог. проц. УГНТУ. Дипл. инж. по автоматиз. (УГНТУ, 2006). Готовит дис. в обл. интел. упр. сл. техн. сист. с использованием дискр.-лог. моделей.

Каяшев Александр Игнатьевич, проф., зав. каф. автоматиз. технолог. и инф. систем фил. УГНТУ в г. Стерлитамак. Д-р техн. наук по автоматиз. и упр. технолог. проц. и произв. Иссл. в обл. интел. упр-я.

Муравьева Елена Александровна, доц. каф. автоматиз. технолог. и инф. систем фил. УГНТУ в г. Стерлитамак. Дипл. инж. (УГНТУ, 1998). Канд. техн. наук по автоматиз. и упр. технолог. проц. и произв. (УГАТУ, 2001). Иссл. в обл. интел. упр-я.