Система усовершенствованного управления центральной газо-фракционирующей установкой

УДК 681.5

К. В. Камалиева, Т. С. Камалиев, А. В. Долганов

СИСТЕМА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

ЦЕНТРАЛЬНОЙ ГАЗО-ФРАКЦИОНИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКОЙ

Ключевые слова: система усовершенствованного управления технологическим процессом, программное обеспечение, управление на основе прогнозирующей модели, центральная газофракционирующая установка.

Работа посвящена разработке системы усовершенствованного управления технологическим процессом на основе многопараметрических регуляторов на центральной газофракционирующей установке. Приведены основные решения в области технического, программного и информационного обеспечения. Рассмотрены основные алгоритмические решения, на основании которых получен эффект от внедрения системы усовершенствованного управления.

Keywords: advanced process control, software, model predictive control, central gas fractionation unit.

The work is dedicated to the development of the advanced process control system for the central gas fractionation unit. The system is based on model predictive control. The main technical, software and algorithmic solutions are described. Economic benefit that is achieved with the advanced process control solutions is shown.

Введение

Система усовершенствованного управления технологическим процессом (СУУТП) является достаточно широким понятием и включает в себя целый спектр решений по оптимизации ТП [1], выходящих за рамки стандартных схем управления: адаптивное управление, управление на основе нечеткой логики, многопараметрическое регулирование, нейронные сети и т.д. Однако чаще всего этот термин применяют к технологии многопараметрического управления с

прогнозирующей моделью (Model Predictive Control или MPC) [2].

Многопараметрические регуляторы позволяют реализовывать сложные схемы управления с компенсацией возмущений и взаимного влияния между параметрами системы. В свою очередь, сложные схемы управления объектом позволяют достигать поставленных целей оптимизации с учетом ограничений по качеству получаемой продукции и других регламентируемых пределов.

В данной работе описывается разработка СУУТП на основе многопараметрических регуляторов для установки ЦГФУ-1 цеха 1417 ПАО «Нижнекамснефтехим».

Целью создания СУУТП установки ЦГФУ-1 является стабилизация режима работы и улучшение экономических показателей работы установки, при соблюдении технологических ограничений и спецификаций на получаемые продукты. СУУТП создается как надстройка над существующей системой автоматизации установки и должна охватывать следующие узлы:

- пропановый узел - колонна К-1;

- бутановый узел - колонны К-2, К-2а, К-3;

- пентан-гексановый узел - колонны К-4;

- пропан-пропиленовый узел - колонна К-6.

Техническое обеспечение

Существующая система управления установки ЦГФУ-1 построена на базе ПЛК SIMATIC S7-400 и интегрированной среды разработки SIMATIC PCS 7 (V7.0) компании Siemens (рис. 1) [3].

В состав стандартного программного обеспечения среды SIMATIC PCS 7 входят библиотеки элементов управления ТП, которые содержат готовые протестированные

функциональные блоки, экранные панели управления и символы блоков и позволяют реализовать базовые концепции регулирования [4].

Рис. 1 - Структурная схема интеграции СУУТП с АСУТП

Наряду с основными функциями и законами регулирования среда автоматизации SIMATIC PCS 7 предоставляет в распоряжение пользователя функциональные блоки и шаблоны для реализации усовершенствованных алгоритмов управления, которые входят в состав расширенной технологической библиотеки процессов (Advanced Process Library, APL). Однако наличие ряда технических ограничений, накладываемых на блоки усовершенствованных алгоритмов библиотеки APL, не позволяет в полной мере реализовать функции усовершенствованного управления на базе системы SIMATIC PCS 7 на установке ЦГФУ-1. По этой причине было принято решение построить разрабатываемую Систему на базе программно-технического комплекса (ПТК) DeltaV фирмы Emerson.

Техническое обеспечение СУУТП включает в себя персональные компьютеры-рабочие станции и сетевое оборудование, объединяющее станции в Сеть управления. Внедрение СУУТП на технических средствах осуществляется путем инсталляции программного обеспечения, активации

соответствующих функций лицензиями и загрузки соответствующих функциональных модулей.

Для наиболее полной реализации функциональных возможностей, предоставляемых системой усовершенствованного управления DeltaV, предлагается использовать следующие рабочие станции:

- Станция Профессиональная Плюс - хранит базу данных конфигурации СУУТП, позволяет осуществлять конфигурирование СУУТП, реализует функции по идентификации моделей технологического процесса и генерации многопараметрических регуляторов;

- Станция Приложений

- обеспечивает выполнение алгоритмов усовершенствованного управления, связь между СУУТП DeltaV и АСУТП SIMATIC PCS 7 по OPC-протоколу, а также хранение данных в архиве истории процесса.

Для интеграции СУУТП с существующей системой управления ЦГФУ-1 предлагается использовать станцию Приложений DeltaV и OPC сервер АСУТП. На физическом уровне соединение станций в сеть организовано посредством сетевого соединения типа кроссовер. На программном уровне взаимодействие систем осуществляется посредством открытого протокола передачи данных ОРС [5].

Программное обеспечение

СУУТП является распределенной системой, состоящей из набора независимых друг от друга компонентов программного обеспечения, расположенных на различных вычислительных узлах ПТК DeltaV (рис. 2).

Инженерное ПО

SIMATIC PCS 7

ПО ПТК SIMATIC PCS 7:

SIMATIC Manager, Graphics Designer и т.д.

ПООРС-сервер

Подсистема реального времени

Рис. 2 - Программное обеспечение СУУТП

Приложения ПТК DeltaV выполняются на рабочих станциях и включают в себя: специализированное программное обеспечение СУУТП и инженерное программное обеспечение DeltaV.

Специализированное программное обеспечение СУУТП включает в себя приложение конфигурирования и идентификации моделей DeltaV PredictPro и приложение инженерного интерфейса управления DeltaV MPC OperatePro.

Инженерное программное обеспечение ПТК DeltaV, используемое при конфигурировании и работе с СУУТП:

- ПО конфигурирования функциональных модулей Проводник DeltaV и DeltaV Control Studio;

- ПО администрирования системы.

Подсистема реального времени работает на станции Приложений и выполняет алгоритмы, реализованные в функциональных модулях DeltaV.

Информационное обеспечение

Информационное обеспечение СУУТП является составной частью информационного обеспечения системы DeltaV и включает в себя:

1) Базу данных реального времени, которая располагается на станции Профессиональная Плюс. Функциональные модули СУУТП загружаются в станцию Приложений.

2) Информационную базу данных конфигурации СУУТП. Конфигурация функциональных модулей СУУТП хранится в базе данных DeltaV на станции Профессиональная Плюс в собственном формате.

Основная конфигурация СУУТП располагается в выделенной области по пути: Стратегии Управления/CGFU1_APC.

В этой области определены следующие подобласти: стратегия управления для функциональных модулей многопараметрических регуляторов и стратегия управления для функциональных модулей диагностики и интеграции.

При создании конфигурации СУУТП вносятся изменения в конфигурацию АСУТП, связанные с организацией передачи данных, в силу необходимости переопределить нормальные и разрешенные режимы работы ПИД-регуляторов и «привязать» их к СУУТП.

3) Базу математических моделей, которая находится на станции Профессиональная Плюс вне БД конфигурации системы DeltaV.

База математических моделей представляет собой совокупность файлов отклика каждого управляющего параметра (CV) и параметра ограничения (LV) на единичное изменение каждого регулируемого параметра (MV) и параметра возмущения (DV), которые организуются в подпапки, каждая из которых соответствует одному многопараметрическому регулятору и носит его обозначение (например, XC1).

Файлы описания многопараметрических регуляторов хранятся в тех же папках и содержат базовые параметры моделей и настроек многопараметрических регуляторов СУУТП.

4) Архив истории процесса. Система усовершенствованного управления DeltaV использует архив истории процесса системы DeltaV для сохранения исторических данных СУУТП на станции Приложений. Архивирование осуществляется для всех параметров многопараметрических регуляторов, диагностических модулей и модулей интеграции, а также для параметров режима работы компонентов СУУТП. Этот архив независим от основного архива системы АСУТП.

Часть информационного обеспечения СУУТП будет располагаться на инженерной станции АСУТП SIMATIC PCS 7. В данное информационное обеспечение входит конфигурация функциональных блоков, осуществляющих взаимодействие алгоритмов ПИД-регулирования АСУТП и алгоритмов СУУТП.

Основные алгоритмические решения

СУУТП, проектируемая на установке ЦГФУ-1, включает в себя:

1 ) Функциональные модули

многопараметрических регуляторов с

прогнозирующей моделью MPC-PLUS:

- регулятор узла выделения и конденсации этан-пропановой фракции - XC1;

- регуляторы узла выделения изобутан-бутановой фракции - XC2 и XC2A;

- регулятор узла разделения изобутан-бутановой фракции - XC3;

- регулятор узла разделения изопентан-пентан-гексановой фракции - XC4;

- регулятор узла очистки пропан-пропиленовой фракции - XC6.

Алгоритмы многопараметрического управления включают в себя встроенный функциональный блок многопараметрического управления с

прогнозирующей моделью MPC-PLUS, блок управления включением/отключением

многопараметрического регулятора MPC_ON_OFF и переменную статуса-состояния APCST (рис. 3).

Рис. 3 - Функциональный колонны К-2

модуль MPC-PLUS

Функциональный блок MPC-PLUS не содержит входных и выходных коннекторов. Конфигурирование данного блока осуществляется в инженерном приложении DeltaV Control Studio с помощью диалогового окна (рис. 4), которое открывается при выборе пункта Свойства во всплывающем меню блока [6].

Достоверность входной информации, поступающей в СУУТП, является определяющей для адекватной работы системы. Получение недостоверной входной информации может привести к выработке неадекватных управляющих воздействий на объект управления. В целях определения достоверности и пригодности входной информации разработаны алгоритмы диагностики входной информации.

Что касается алгоритмов диагностики выходной информации: состояние подчинённого ПИД-регулятора используется для автоматического отключения СУУТП в случае возникновения нештатной ситуации в работе регулятора.

3) Функциональные модули интеграции. Алгоритм диагностики связи предназначен для

идентификации прекращения, по тем или иным причинам, процесса обмена информации между АСУТП и СУУТП. В случае возникновения такой ситуации СУУТП переводится в локальный режим работы, а подчинённые ПИД-регуляторы - в заранее определенные режимы работы, соответствующие стандартной схеме регулирования. Диагностика обрыва связи осуществляется как со стороны АСУТП, так и со стороны СУУТП, одновременно: проверяется запись и чтение со стороны АСУТП, запись и чтение со стороны СУУТП.

4) Вспомогательные функциональные модули.

Заключение

Основной экономический эффект от внедрения СУУТП на установке ЦГФУ-1 будет получен от снижения расхода пара, идущего на обогрев колонн, с учетом всех ограничений на составы потоков. Практика внедрения подобных систем показывает, что применение СУУТП в процессах ректификации позволяет сократить расход энергоресурсов на 2-10%. Проведенные авторами расчеты показали, что в результате внедрения СУУТП экономия энергии составит приблизительно 1.837 Гкал/ч.

Литература

1. П.Л. Логунов, М.В. Шаманин, Д.В. Кнеллер, С.П. Се-тин, М.М. Шундерюк, Автоматизация в промышленности, 4, 3-13 (2015).

2. В.Н. Куликов, Автоматизация в промышленности, 3, 7-13 (2016).

3. Т.С. Камалиев, В.И. Елизаров, К.Ю. Созыкин, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 23, 421-423 (2014).

4. Э.Л. Ицкович, Микропроцессорные распределенные системы управления зарубежных фирм на рынке СНГ. Москва, 2005. 161 с.

5. Ю.Н. Федоров, Справочник инженера по АСУТП: проектирование и разработка. Инфра-Инженерия, Москва, 2008. 928 с.

6. А.В. Мущинин, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 21, 365-371 (2014).

Рис. 4 - Диалоговое окно конфигурирования блока MPC-PLUS

После загрузки модуля, содержащего алгоритм управления с регулятором MPC-PLUS, в специализированном приложении DeltaV PredictPro осуществляется построение математической модели процесса.

2) Функциональные модули диагностики.

© К. В. Камалиева - студент НХТИ КНИТУ, yasamaistina@rambler.ru; Т. С. Камалиев — к.т.н., доцент кафедры АТПП НХТИ КНИТУ, timur_kamaliev@mail.ru; А. В. Долганов - к.т.н., доцент кафедры АТПП НХТИ КНИТУ, e-dav@yandex.ru.

© K. V. Kamalieva - Position - student of the 3012 gr. of the department ATPM NCHTI KNRTU, yasamaistina@rambler.ru; T. S. Kamaliev — Position - associate professor of the same department, timur_kamaliev@mail.ru; A. V. Dolganov - Position - associate professor of the same department, e-dav@yandex.ru.