Автоматизация сложных химико-технологических производств: на примере производств фенола-ацетона и полиэтилена в реакторах смешения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Шауро, Василий Сергеевич

• Шауро, Василий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шауро, Василий Сергеевич

Введение

Глава 1. Подход к проектированию АСУТП

1.1 Понятие комплексного подхода

1.2 Постановка задачи построения АСУТП с использованием унифицированного подхода

1.3 Примеры применения комплексного подхода в создании АСУТП

Глава 2. Построение АСУТП крупнотоннажным химическим производством на примере производств фенола-ацетона и полиэтилена высокого давления

2.1 Уровень датчиков и исполнительных механизмов

2.2 Уровень сбора информации.

2.3 Уровень обработки и хранения информации

2.4 Уровень человеко-машинного интерфейса

2.5 Техническая структура системы.

2.6 Разработка унифицированного приложения для протоколирования информации для производства фенола-ацетона

Глава 3. Система управления реактором полимеризации.

3.1 Краткие сведения о конструкционных особенностях реакторов полимеризации этилена с перемешивающим устройством

3.2 Механизм и кинетика полимеризации

3.3 Управление реактором полимеризации в неустойчивом режиме

3.4 Применение вибрационного управления к различным системам управления

3.4.1. Линейные системы

3.4.2 Нелинейные системы

3.4.3 Оптимальная Форма Вибрации

3.4.4 Вибрационная стабилизация систем с распределенными параметрами

Глава 4. Применение вибрационного управления для промышленных установок

Глава 5. Применение вибрационного управления для реактора полимеризации этилена с перемешивающим устройством

5.1 Моделирование реактора

5.1.1 Материальный баланс реактора

5.1.2 Тепловой баланс реактора

5.1.3 Исходные данные для моделирования

5.1.4 Исследование устойчивости

5.2 Проведение вычислительных экспериментов

5.3 Влияние колебаний на поведение системы в окрестностях второго стационарного состояния

Глава 6. Сравнение различных систем управления реактором

6.1 Сравнение различных АСР в среде MATLAB

6.2 Реализация комбинированной системы регулирования на средствах программирования контроллеров Siemens . 111 Заключение .116 Библиографический список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация сложных химико-технологических производств: на примере производств фенола-ацетона и полиэтилена в реакторах смешения»

Современное предприятие - это сложный комплекс производств, состоящих из большого числа агрегатов. Взаимосвязи между агрегатами и стадиями производства, делают необходимым создание систем управления производством в целом. Иными словами постановка задачи управления относится не к одному аппарату в отдельности, а ко всему производству.

Такой подход можно применить для любого крупного производства с ярко выраженной постадийностью, где хорошо работают известные методы декомпозиции. Для производств, где постадийность выражена не так резко, постановка задачи управления в целом может быть слишком сложна, хотя подобный подход все равно имеет право на существование из-за взаимосвязи между аппаратами.

Подобные автоматизированные системы управления (АСУ) встречаются во всех отраслях промышленности, где существуют крупнотоннажные производства: металлургия, химия, тяжелое машиностроение, фармацевтика, пищевая промышленность.

Тенденции развития автоматизации в последнее время позволяют говорить о полноценных интегрированных системах, выполняющих функции от сбора и предоставления информации с датчиков до задач на уровне отрасли, хотя последнее верно в основном для нефтепереработки и энергетики.

Сегодня системы диспетчерского управления (Manufacturing Execution System - MES системы) из экзотики превращаются в непременный атрибут любой системы управления. Более высокий уровень автоматизации АСУП или ERP системы (Enterprise Resource Planning), в России пока остается мало распространенным и встречается в основном в нефтеперерабатывающей промышленности и энергетике. Более того, в настоящее время современная техника позволяет реализовывать более высокий уровень автоматизации АСУ Отрасли (On-Line Analytical Processing OLAP системы)

Основой для построения таких систем должны являться автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУТП), причем, чем более унифицированы будут данные системы, тем легче будет создать системы более высокого уровня. Растущий уровень развития автоматизации на производствах и возрастающие требования управляющего персонала в получении быстрой и оперативной информации ставят задачу разработки унифицированного подхода для разработки систем на всех уровнях, в том числе и на уровне АСУТП. Первая часть данной работы посвящена реализации такого унифицированного подхода к построению «большой» АСУТП, на основе современных технических средств. Во второй части работы рассматривается случай, нестандартной системы регулирования, создание которой в рамках унифицированного подхода невозможно. В качестве такой системы представлена система управления химическим реактором полимеризации этилена с перемешивающим устройством.

Исследование, постановка и решение данных задач проводились на ОАО «Казаньоргсинтез» и ОАО «Уфаоргсинтез». Это крупные химические производства, что позволяет глубоко рассмотреть проблемы решения задач создания АСУТП с помощью унифицированного подхода и задач, решение которых в рамках унифицированного подхода невозможно.

Цель работы. Целью работы является исследование возможности унифицированного подхода к созданию АСУТП сложным химическим производством на современной микроконтроллерной технике, постановка и решение задачи управления сложным нелинейным объектом на примере реактора полимеризации этилена с перемешивающим устройством.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались следующие методы: обследование и алгоритмизация объекта автоматизации, декомпозиция объекта автоматизации, построение сетевых структур архитектуры «клиент-сервер», синтез пользовательских интерфейсов в SCADA-системах, методы качественной теории дифференциальных уравнений для исследования сложных нелинейных объектов.

Научная новизна. В результате проведенной работы были получены следующие основные научные результаты:

1. Впервые разработана комбинированная система управления автоклавным реактором полимеризации на основе вибрационного регулирования и регулирования по обратной связи.

2. Разработана и предложена инженерная методика применения типовых решений при создании АСУТП.

3. Проведено исследование влияния запаздывания в измерениях на различные типы Автоматизированных систем регулирования (АСР).

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Принят к внедрению проект АСУТП фенола-ацетона разработанный на основе методики применения типовых решений.

2. Разработаны и прошли промышленную апробацию техническое задание, информационное обеспечение, техническое обеспечение, математическое обеспечение технорабочего проекта производства фенола-ацетона на основе предложенного подхода к созданию АСУТП.

В соответствии с поставленной целью работы в первой главе приведена общая характеристика комплексного подхода к построению АСУТП крупного производства. Приводятся примеры существующих АСУТП в различных отраслях промышленности, спроектированных в соответствии с таким подходом.

Во второй главе рассматривается производство фенола-ацетона, где автор выступал в роли ответственного исполнителя, и производство полиэтилена, где автор выступал в роли разработчика структуры сети передачи данных, показывается применение унифицированного подхода к различным производствам большой химии.

В третьей главе рассматривается задача, решение которой в рамках унифицированного подхода сильно затруднено. Как пример такой задачи приведено создание системы управления реактором полимеризации этилена с перемешивающим устройством в неустойчивом режиме. Приведен краткий обзор существующих типов реакторов полимеризации этилена, дано краткое описание кинетики реакции. Предлагается решение задачи с применением метода вибрационного регулирования. Дан литературный обзор основных положений теории вибрационного регулирования.

В четвертой главе ставится и решается задача построения системы автоматического регулирования реактором полимеризации этилена с мешалкой, с использованием вибрационного регулятора.

Пятая глава содержит результаты вычислительного эксперимента по моделированию системы управления реактором полимеризации с перемешивающим устройством. Рассматривается возможность создания промышленной АСУ с использованием вибрационного регулятора.

Шестая глава посвящена сравнению различных типов АСР для управления реактором полимеризации с перемешивающим устройством, показана возможность применения комбинированной АСР, обеспечивающей устойчивую работу при больших запаздываниях в измерениях и включающей в себя вибрационное регулирование и регулирование по обратной связи.

Приложения содержат в себе листинг программ созданных для реализации вычислительных экспериментов.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Шауро, Василий Сергеевич

6. Результаты работы используются в промышленном производстве фенола-ацетона и полиэтилена.

Заключение.

Целью данной диссертационной работы являлось исследование возможности унифицированного подхода к созданию АСУТП сложным химическим производством на современной микроконтроллерной технике, постановка и решение задачи управления сложным нелинейным объектом на примере реактора полимеризации этилена с перемешивающим устройством.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы: обследование и алгоритмизация объекта автоматизации, декомпозиция объекта автоматизации, построение сетевых структур архитектуры «клиент-сервер», синтез пользовательских интерфейсов в SCADA-системах, методы качественной теории дифференциальных уравнений для исследования сложных нелинейных объектов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шауро, Василий Сергеевич, 2006 год

1. Дудников Е.Г., Левин А.А., Промышленные автоматизированные системы управления, М., Энергия, 1973. 192 с.

2. Беляков В.К., Голованов О.В. Автоматизация управления химической промышленностью. М.: Химия, 1977. - 279 с.

3. Голованов О.В., Шкарупа В.В. Разработка программного обеспечения отраслевой АСУ. М.: Статистика, 1978. - 199 с.

4. Борозденков Н.В. Плюсы и минусы комплексного подхода к автоматизации производства / http://www.plcsystems.ru/] (13.04.2005)

5. Власов В.А., Комисарчук С.Ю., Лебедев В.О., Обносов А.В. Системно-ориентированное программирование как средство решения задач реального времени. //Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. - №1.

6. Шапиро Ю.З. АСУ химическими производствами. Унифицированные решения. -М.: Химия, 1983. 224 с.

7. Ю.Б. Типовой проект автоматизации технологических процессов на базе технологии Industrial Ethernet //Промышленные АСУ и контроллеры. -2005.-№1-с. 14-22.

8. АСУ ТП литейного отделения №3 ОАО "КрАЗ". / http://www.sinetic.ru/proiects/allum/kraz/lo3/] (12.10.2004).

9. Чичелов В.А Мостовой А.В Бернер Л.И Илюшин С.А. Интегрированная многоуровневая АСУ Предприятия "Пермтрансгаз". //Приборы и Системы. Управление. Контроль. Диагностика. 2002г. - №5 -с. 12-15.

10. Прокопчик В.Ф., Сапожников Г.Н., Терлецкий М.Ю. Опыт внедрения и эксплуатации АСУТП Пинских электрических сетей на базе SCADA-пакета FIX32. // Промышленные АСУ и контроллеры. 2002 - №3 -с. 41-46.

11. Автоматизированная система управления технологическим процессом производства полистиролов ОАО "Нижнекамскнефтехим. / http://www.szma.org/himprom3.plip] (11.07.2004).

12. Онищенко А.Г., Терлецкий М.Ю. Новые решения для эффективного управления технологическими процессами // RM Magazine. 2001.-№2.

13. Дульнева В.В., Кухтин С.Г. Новые возможности SCADA-пакетов FIX и iFIX // Промышленные АСУ и Контроллеры. 2001. №7. - с.36-38.

14. Альперович И.В. iFix "крупноблочное" построение диспетчерских систем АСУТП // PCWeek/RE. - 2001. - №30.

15. Терлецкий М. Ю. Универсальное средство построения производственного архива iHistorian // Промышленные АСУ и Контроллеры. - 2001. - №11 - с. 48-52.

16. Гучек С.И., Вронко Ю.Ф., Гелейша Ю.А., Терлецкий М.Ю. Применение SCADA-пакета iFIX на гродненском производственном объединении "Азот" // Промышленные АСУ и Контроллеры. 2001. - № 9.

17. Капица П.Л. ЖЭТФ 1951, т.21. №5.

18. Боголюбов Н.Н. "О некоторых статистических методах в математической физике" Киев 1945. 137 с.

19. S. М. Meerkov. Averaging of trajectories of slow dynamics system Differential Equation, // IEEE Trans Automat Control, vol. 9, noil, pp. 12391245, 1973.

20. S. M. Meerkov. Principle of Vibrational Control: Theory and Applications // IEEE Trans Automat Control, vol. AC-25, pp 755-762, 1980.

21. R. Bellman, J.Bentsman, S.M. Meerkov. Vibrational control of system with Arrhenius dynamics // J. Math, Anal. Appl. Vol. 90, 1983.

22. S.M. Meerkov. Conditions of vibrational stabilizability for a class of nonlinear systems // IEEE Trans Automat Control, vol. AC-27 pp 485-487, 1982.

23. S.M. Meerkov. Vibrational Stabilizability of Distributed Parameter System // J. Math Anal. Appl vol. 98, 1984.

24. Челомей B.H. О возможности повышения устойчивости упругих систем при помощи вибраций //ДАН СССР, 1956, т.110, №3. с. 345-348.

25. G.F. Wolf. The dynamic stabilization of the Rayleigh-Taylor instability and the corresponding dynamics equilibrium // Z. Phys, vol. 227, pp 291-300, 1969.

26. J.P. Boris. Dynamic Stabilization of the imploding-shell Rayleigh-Taylor instability // Comments Plasma Phys Cont Fusion, vol. 3, pp 1-13, 1977.

27. G.Berge. Equilibrium and stability of MHD-fluids by dynamic techniques // Nuclear Fusion, vol 12, pp 99-117, 1972.

28. P.M. Gresho, R.L. Sani. The effects of gravity modulation on the stability of a heated fluid layer, // J. Fluid Mech vol 40, pp 783-806, 1970.

29. Боголюбов H.H, Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний, -М.: Наука. 1974,- 408 с.

30. S.M. Meerkov. Averaging of trajectories of slow dynamic systems // J. Differential Equations vol. 9, pp 1239-1245, 1973.

31. R. Bellman, J. Bentsman S.M. Meerkov. On vibrational Stabilizability of nonlinear system // J. Optim. Theory ahd Appl. vol.4, 1985.

32. R. Bellman, J. Bentsman S.M. Meerkov. Vibrational control of nonlinear systems: Vibrational Stabilizability // IEEE Transactions on automatic control, vol. AC-11, №8, 1986.

33. R.Bellman, J.Bentsman S.M. Meerkov. Vibrational control of nonlinear systems: Vibrational controllability and transient behavior // IEEE Transactions on automatic control vol. AC-11, №8, 1986.

34. S.M. Meerkov. Condition of Vibrational Stabilizability for a Class of Nonlinear Systems // IEEE Transactions on Automatic Control, vol. AC-27, pp. 485-487, 1982.

35. Демидович Б.П. Лекции по Математической теории устойчивости, -М.: Наука,- 1971.

36. Габасов Р. Кирилова Ф. Качественная теория оптимальных процессов, М.: Наука.- 1971.

37. D. Graupe. Identification of systems // Huntington, NY: Krieger, 1976.

38. S. M. Meerkov and M. Yu. Tsitkin. The effectiveness of the method of vibrational control for the dynamic systems of the order n // Automat. Remote Contr, vol. 36, pp. 525-529, 1975.

39. Beranek Leo L., Ver Istvan L. Noise and vibration control engineering -Principles and applications. John Wiley & Sons, Inc., 814 p. 1992.

40. A. Cinar, J. Deng, S.M. Meerkov, and X. Shu, Vibration Control of an Exothermic Reaction in a CSTR: Theory Simulation, Experiment. // Annual Meeting, San Francisco, CA. Paper No. 3, 1984.

41. A. Cinar, J. Deng, S.M. Meerkov, and X. Shu, Vibrational Control of an Exothermic Reaction in a CSTR: Theory and Experiments. //J. AlChE, vol. 33, pp. 353-365, 1987.

42. J. E. Bailey, and F.M. Horn, Comparisons Between two Sufficient Conditions for Improvement of un Optimal Steady State Process by Periodic Optimization. // J. of Optimization Theory and Applications, vol. 7, №5, 5pp. 378384,1971.

43. S. Bittanti, G. Fronza, and G. Guardabassi, Periodic Control: A Frequency Domain Approach. // IEEE Transactions on automatic control, AC-18, pp. 33-38, 1973.

44. N. Watanabe, К. Onogi, and M. Matsubara. Periodic Control of Continuous Stirred Tank Reactors // Chem. Eng. Sci., vol. 36, pp. 809-818, 1981

45. N. Watanabe, K. Kurimoto, M. Matsubara, and K. Onoqi, Periodic Control of Continuous Stirred Tank Reactors -II. // Chem. Eng. Sci., vol. 37, pp. 745-752, 1982.

46. M. Fjeld. Asynchronous Quenching of Nonlinear Systems Exhibiting Limit Cycles. // IEEE Transactions on automatic control, AC-13, 201-202, 1968

47. M. Fjeld. Relaxed Controls in Asynchronous quenching and Dynamical Optimization. // Chem. Eng.Sci.,vol. 29, pp. 921-933, 1974.

48. D.D. Bruns, and J.E. Bailey. Process Operation Near an Unstable Steady State Using Nonlinear Feedback Control. // Chem. Eng. Sci., vol. 30, pp. 755-762, 1975.

49. D.D. Bruns, and J.E. Bailey. Nonlinear Feedback Control for Operating a Nonisothermal CSTR Near an Unstable Steady Stale.// Chem. Eng. Sci., vol. 32, pp. 257-264, 1977.

50. Кафаров В.В. Софиев А.Э. Трахтенберг A.M. Стабилизация неустойчивых режимов в нелинейных химико-технологических системах с помощью параметрических колебаний. // ДАН СССР, 1983, т. 268, №1 - с 137-142.

51. A. Cinar, J. Deng, S.M. Meerkov, and X. Shu. Vibrational Stabilization of a Chemical Reactor: An Experimental Study // IEEE Trans. Automat. Control, vol. 32, pp.348-352, 1987.

52. Софиев А.Э. Трахтенберг A.M. Геометрическая интерпретация эффекта вибрационного управления // Нестационарные процессы в катализе 3-я всесоюзная конференция. —Т. 1. ■—Новосибирск, 1986. с. 42-43.

53. Дубинина О.В. Дышлевич И.И. Туник О.А. Складановский Е.Н. Ярошевский C.JI. Работа доменной печи с пульсирующем давлением газа на колошнике // Метал и литье Украины. №7. 2001.

54. Трахтенберг A.M. Исследование устойчивости и разработка метода стабилизации неустойчивых режимов в ядерных реакторах типа БВЭР-1000 с помощью параметрических колебаний // Отчет о научно-исследовательской работе ЦНИИКА, Москва, 1984.

55. Софиев А.Э. Трахтенберг A.M. Вибрационная стабилизация неустойчивого режима химического реактора с перемешиванием // ТОХТ, 1989, т. XXII, №5 - с. 644-650.

56. Поляков А.В. Дунтов Ф.И. Софиев А.Э. Полиэтилен высокого давления/ JL: Химия, 1988.

57. Вольтер Б.В. Сальников И.Э. Устойчивость режимов работы химических реакторов. -М.: Химия, 1972 г. 192с.

58. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. -М.: ГИФМЛ, 1959 г.- 700с.

59. Кафаров В.В. «Методы кибернетики в химии и химической технологии».-М.: Химия 1968г.

60. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения. М.: Комкнига, 2006 г.- 312 с.

61. Степанов В.В. Курс дифференциальных уравнений М.: Комкнига, 2006 г. - 472 с.

62. Ляпунов А. М. Общая задача об устойчивости движения. -М.: Гостехиздат, 1950 г. -472 с.

63. Андронов А.А. Витт А.А. Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959 г. 916 с.

64. Айзерман М.А. Теория автоматического регулирования. М.: Наука, 1966 г.-427 с.

65. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Учеб. пособие.- М.: Машиностроение, 1985 г.

66. Софиев А.Э. Софиева Ю.Н. Теория управления М.: МИХМ 1975 г. -166 с.

67. С. Van Heerden Autothermic Processes: Properties and Reactor Design. // Ind. Eng. Chem., vol.45, pp. 1242, 1953.

68. Андронов А.А., Леонтович E.A., Гордон И.И., Майер А.Г. Теория бифуркаций динамических систем на плоскости. М.: Наука, 1967 г. - 488 с.

69. Авторское свидетельство. Способ управления реактором полимеризации этилена. А.С. 1159927 СССР.- С08 F 110/02/ А.Э. Софиев, A.M. Трахтенберг. -J 3643037, заявлено 19.09.85.