Создание тренажерного комплекса с использованием упрощенных динамических моделей химико-технологических процессов

УПРАВЛЕНИЕ, ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 66.65.001.56

Ю. Л. Павлов, Н. Н. Зиятдинов, И. И. Емельянов

СОЗДАНИЕ ТРЕНАЖЕРНОГО КОМПЛЕКСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПРОЩЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Ключевые слова: взрывобезопасность, химическая технология, управление, тренажёры, настройка регуляторов.

Создаётся тренажерный комплекс, позволяющий освоить особенности управления в реальном масштабе времени типовыми процессами химической технологии, а также простой и эффективный метод оптимальной настройки регуляторов этих процессов. Комплекс может использоваться как при обучении операторов технологических процессов, так и студентов соответствующих специальностей.

Keywords: explosion safety, chemical engineering, control, operator training simulators, regulator adjustment.

A set of operator training simulators has been developed to control standard chemical engineering processes in real time. An optimal adjustment method has been found to regulate these processes. The set of simulators can be used for training operators of technological processes and engineering students.

По данным различных источников, 40 - 50% техногенных катастроф в нефтеперерабатывающей, химической и нефтехимической промышленности приходятся на ошибки оператора [1]. Внедрение современных автоматизированных систем управления и систем противоаварийной защиты [2] уменьшает число аварий и ограничивает их последствия, но при этом оператор отстраняется от непосредственного управления и прогнозирования развития опасных ситуаций.

Поэтому правила безопасности ПБ 09-540-03 [3] предписывают необходимость допуска к работе на объекты I и II категории взрывоопасности только лиц, прошедших подготовку на компьютерных тренажерах: такую подготовку должен проходить весь вновь принимаемый на работу персонал, а также персонал с перерывом в работе свыше одного месяца. Тренажёры могут использоваться для:

- обучения персонала методам управления технологическим объектом в условиях нормального функционирования;

- выработки навыков управления объектом при реализации пуска, планового или аварийного останова, а также в условиях изменения технологического режима;

- обучения студентов особенностям управления различными технологическими процессами с помощью современных автоматизированных систем управления.

Приведем две цитаты из статьи Д. В. Кнелле-ра [1]. «Чем надежнее КИП и «интеллектуальнее» система управления, тем слабее «боеготовность» операторов. Тренажеры нужны, чтобы поддерживать и повышать эту «боеготовность». На установке всё может годами идти гладко, пока, как говорится, гром не грянет. А когда грянет, учить уже поздно. А, возможно, и некого».

«Есть операторы «от Бога», они и без тренажера понимают объект и «инстинктивно» чувствуют, что, когда, и как нужно делать. Таких примерно 15%. Им тренажеры не нужны. Есть операторы «неспособ-

ные», они просто занялись не своим делом. Им никакой тренажер не поможет. Таких тоже примерно 15%. А для остальных 70% мы и трудимся».

Знания особенностей управления тем или иным технологическим процессом и умение работать с современными средствами управления, необходимы инженерам - разработчикам автоматизированных систем управления. Для подготовки таких специалистов необходим определённый набор технических и программных средств, который бы обеспечивал возможность воспроизведения некоторого многообразия основных технологических процессов в химии и нефтехимии. Следует отметить, что в настоящее время такие возможности предоставляются универсальными моделирующими программами (УМП), которые позволяют конструировать компьютерные динамические модели химико-технологических объектов и систем управления ими. К числу наиболее известных УМП следует отнести программы Aspen Plus [4], Hysys [5], Unisim [6], ChemCad [7], SimSci [8] Omega Land [9] и др. Созданные в этих УМП адекватные строгие динамические модели химико-технологических объек-*

тов лежат в основе построения промышленных тренажеров, используемых на технологических установках. Однако, стоимость лицензий на использование перечисленных УМП и затраты на разработку тренажеров на их основе, чрезмерно высоки и не всегда оправданы. Поэтому, несмотря на критическое отношение ряда авторов к упрощенным тренажерам, следует отметить, что они имеют «право на жизнь», поскольку обладают рядом преимуществ перед компьютерными тренажерами, использующими строгие динамические модели. Как правило, от тренажеров требуется только качественное совпадение переходных процессов имитируемых и ре-

* Под строгими моделями химико-технологических объектов здесь понимаются математические модели, построенные на основе законов сохранения массы, энергии, импульса.

альных процессов, откуда следует возможность использования упрощенных моделей. Кроме этого, для изучения и закрепления навыков действий оператора при пуске и аварийном останове технологических установок от обучаемого требуется запоминание последовательности действий оператора в зависимости от той или иной аварийной ситуации, доведенного до «автоматизма». Понятно, что для этого также не требуется использования строгих моделей технологических процессов. Указанные допущения существенно снижают стоимость разработки тренажеров с использованием упрощенных моделей. Вообще, следует отметить, что тренажеры, использующие строгие математические модели и упрощенные, не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Тренажеры, использующие упрощенные модели, должны рассматриваться как учебные, в противовес «промышленным тренажерам» и обучение на них должно предшествовать обучению на тренажерах, использующих строгие модели.

Так возникла задача создания программного тренажера, использующего упрощенные динамические модели, имитирующего поведение реальных химико-технологических объектов в реальном масштабе времени и одновременно систем управления этими объектами.

В настоящее время опубликовано учебное пособие [10], в котором рассмотрены элементарные динамические модули, с помощью которых можно создавать динамические модели большинства химико-технологических процессов. В данном случае важна не точность используемых моделей, которая требуется при изучении сути процесса, а способность моделей адекватно воспроизводить динамический отклик на действия оператора, управляющего этим процессом. Три элементарных динамических модуля: апериодическое звено, интегрирующее звено и звено чистого запаздывания позволяют воспроизвести динамическую реакцию практически любого технологического процесса. Если полученную модель снабдить адекватной реальной системой управления, то получится тренажёр для обучения необходимых специалистов.

Конечной целью изучения динамики любого процесса является подбор структуры и настройка параметров системы управления и регулирования по заранее заданным критериям. Используя указанные тренажёры, можно синтезировать динамическую модель известного процесса, а затем аппроксимировать её моделью заданной структуры, для которой заранее вычислены настройки, соответствующие нескольким критериям оптимальности протекания процесса регулирования. В данном случае приняты простые модели, использующие по два элементарных динамических модуля: апериодическое звено -звено чистого запаздывания (для статических объектов), и интегрирующее звено - звено чистого запаздывания (для астатических объектов). В пособии рассматриваются два тренажера, имитирующие управление простым узлом подготовки воды с заданной температурой и более сложным объектом управления - узлом подготовки нефти, предназначенным для удаления из нее попутного газа. Трена-

жеры содержат процедуры, позволяющие получать переходные характеристики рассматриваемых объектов и в автоматизированном режиме аппроксимировать имитируемый объект одной из указанных моделей, а затем рассчитать настройки ПИД-регулятора, используя соответствующие таблицы и выбранный критерий качества регулирования.

Для улучшения работы ПИД-регуляторов и придания им возможности охватить более широкий круг задач управления, учитывающих требования конкретных объектов, они снабжаются дополнительными возможностями. В пособии, на примере программного обеспечения регуляторов фирмы YOKOGAWA, рассмотрены некоторые дополнительные функции: изменение величины коэффициента усиления в зависимости от величины отклонения параметра от заданной величины; учет зоны нечувствительности; компенсация входа/выхода.

Предложен метод самонастройки ПИД-регулятора, в случаях, когда динамические свойства объекта определяются нагрузкой на него. В этом случае настройка регулятора может быть выполнена при одной любой нагрузке, и в случае её изменения автоматически изменятся и настройки регулятора с сохранением качества регулирования по выбранному критерию.

Приведены примеры специализированных регуляторов, имеющих минимальное число настроечных параметров или не имеющих их. К ним относятся наиболее распространенные в химической технологии регуляторы уровня и расхода. Как правило, эти регуляторы используются в автоматическом режиме, как при пуске, так и при эксплуатации объекта. Особенно удобно их применение при вводе в эксплуатацию новых производств.

Закрепление пройденного материала проводится путем выполнения практических заданий на соответствующих тренажерах.

Особое внимание в пособии уделено практическим советам по настройке регуляторов на действующих объектах. Проблема заключается в том, что на реальном объекте попасть в «спокойную» зону, когда побочные возмущения - «шумы» отсутствуют, ситуация почти нереальная. Особенно это проблематично на вновь пускаемых объектах, когда ещё многие регуляторы не настроены. Но даже на действующих объектах не всегда возможно провести активный эксперимент с нанесением необходимого ступенчатого возмущения, вследствие наличия «шумов». Приводятся различные причины возникновения «шумов». В этих условиях приходится настраивать регуляторы «на ходу», и тогда лучше придерживаться определённых правил, которые помогают успешно провести процедуру настройки.

Для этого предлагается разделить все контуры регулирования на две категории: «быстрые» и «медленные» (инерционные).

К «быстрым» можно отнести контуры регулирования расхода и уровня (за редким исключением). Часто контуры регулирования давления также можно отнести к разряду «быстрых». В таких контурах время переходного процесса при нанесении ступенчатого возмущения (при разомкнутом конту-

ре) не превышает 5-10 сек.

К «медленным» можно отнести контуры регулирования температуры, состава, давления или уровня, если давление или уровень не регулируются непосредственно потоками, воздействующими на эти параметры. Например, давление в колонне регулируется подачей хладагента в конденсатор, или уровень во флегмовой ёмкости регулируется подачей пара в кипятильник. В таких контурах время переходного процесса при нанесении ступенчатого возмущения (при разомкнутом контуре) может превышать 30 сек.

В пособии даются рекомендации по последовательности и способам настройки «быстрых» и «медленных» контуров.

В пособии рассмотрены особенности управления процессами теплообмена, а также процессами в реакторах непрерывного и периодического действия.

Освоение материала сопровождается выполнением упражнений на прилагаемых к пособию компьютерных тренажерах, которые моделируют объекты химической технологии и системы управления. Все тренажёры имеют реальные прототипы технологических процессов и систем управления ими. Так, тренажёр реактора непрерывного действия является моделью реактора, используемого в процессе получения полиэтилена высокого давления на ОАО «Уфаоргсинтез», а тренажёр реактора периодического действия является моделью реактора получения лапрола (полипропиленгликоль) ОАО «Нижнекамскнефтехим».

В настоящее время готовится к изданию очередное пособие. В нем будут описаны особенности управления процессами непрерывной ректификации, управления технологическими печами и операции пуска и аварийного останова технологической установки. Обучение последовательности решения задач по пуску и аварийному останову проводится на примере промышленной установки первичной экстрактивной ректификации диеновых углеводородов [11].

Программное обеспечение тренажёров содержится на дисках, которые прилагаются к учебным пособиям. Студенты имеют возможность изучить не только разнообразие подходов при создании систем управления, но и познакомиться с особенностями управления наиболее распространёнными технологическими процессами, что очень важно, если будущие специалисты будут участвовать в создании или эксплуатации таких систем.

В большинстве разработанных тренажёров

используется операторский интерфейс, аналогичный РСУ Centum CS3000 (фирма YOKOGAWA) [12].

Программное обеспечение прилагаемого к учебному пособию тренажеров выполнено на языке Visual Basic 6, это позволяет легко исправлять и дополнять материал пособия.

Пособия предназначены для подготовки бакалавров по направлениям: 27.03.03 - Системный анализ и управление, 27.03.04 - Управление в технических системах, магистров по направлению 15.04.04 - Автоматизация технологических процессов и производств, а также слушателей курсов повышения квалификации, преподавателей и специалистов, желающих освоить методы настройки регуляторов и понять особенности управления теми или иными типовыми процессами химической технологии. Следует отметить, что освоение материалов, касающихся вопросов управления описанными в пособиях технологическими процессами будет исключительно полезно для подготовки бакалавров по направлениям 18.03.01 - Химическая технология, 18.03.04 - Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, будущее которых связано с работой на технологических установках нефтехимических, нефтеперерабатывающих и смежных производств.

Литература

1. Д.В. Кнеллер, Автоматизация в промышленности, 7, 29-33

2. О.В. Зеленко, Е.Ю. Климанова, Р.К. Нургалиев, Е.Н. Перевощиков, Вестник Казан. технол. ун-та, 16, 5, 280281

3. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожа-роопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств ПБ 09-540-03. М., ПИО ОБТ, 2003

4. http://www.aspentec.com/

5. http://www.aspentec.com/

6. http://www.honeywell.com/

7. http://www.chemstations.com/

8. http://software. invensys. com/simsci/

9. http://www.omegasim.co.jp/contents_e/product/ol/

10. Ю. Д. Павлов, Н. Н. Зйятдинов, Д. А. Рыжов. Системный анализ химико-технологических процессов как объектов управления и методы настройки регуляторов. Учебное пособие. Изд-во КНИТУ, Казань, 2013. 88с.

11. Н.Н. Зиятдинов, Д.А. Рыжов, Т.В. Лаптева, В. А. Курбатов, Вестник Казан. технол. ун-та, 6, 249-258.

12. Centum 3000. Руководство пользователя. Справочное руководство (часть D). Функциональные блоки. Детали.

© Ю. Л. Павлов - к.т.н., ведущий инженер каф. системотехники КНИТУ, jlpavloff@yandex.ru, Н. Н. Зиятдинов - д.т.н., зав. каф. системотехники КНИТУ, nnziat@yandex.ru; И. И. Емельянов - аспирант каф. системотехники КНИТУ, friend41@mail.ru.

© Yu. L. Pavlov - PhD, Senior Engineer, Process System Engineering Department, KNRTU, jlpavloff@yandex.ru; N. N. Ziyatdinov -Full Professor, Doctor of Sciences in Engineering, Chair of Process System Engineering Department, KNRTU, nnziat@yandex.ru; 1 I. Emelianov - PhD Student, Process System Engineering Department, KNRTU, friend41@mail.ru.