Декомпозиционное управление производством аммиачной селитры

Актуальность темы

Одной из наиболее характерных черт современных химических производств является стремление к совершенствованию технологий, повышению производительности оборудования и увеличению единичной мощности агрегатов. При этом развитие современного производства сопровождается непрерывным возрастанием требований к качеству функционирования технических систем, которые необходимо учитывать на этапе разработки систем автоматического управления химико-технологическими процессами (АСУТП). Широкое внедрение в химическое производство АСУТП, которая базируются на современных аналитических приборах, ЭВМ и микропроцессорах, способствует увеличению производительности оборудования, улучшению качества продукции, повышению технико-экономических показателей за счет эффективного использования сырья и материалов.

Организация управления современным производством требует пересмотра традиционных схем управления и нового системотехнического подхода к разработке схем контроля и автоматизации. В этом случае проектируются не отдельные узлы автоматизации, а единая техническая система, которая включает в себя все устройства контроля и учитывает взаимосвязь и влияние этих устройств друг на друга.

Большинство химических производств относятся к классу сложных технологических процессов. Задачи управления таких процессов, как правило, имеют большую размерность и содержат сложные функциональные связи между переменными. Данное обстоятельство затрудняет решение этих задач обычными методами и приводит к необходимости их декомпозиции, т. е. разбиение на совокупность совместно решаемых подзадач меньшей размерности. Применение декомпозиционных методов позволяет значительно сократить вычислительные затраты на решение задачи, а потому упрощают процесс проектирования АСУ.

В настоящей диссертационной работе подобный метод явной декомпозиции применяется для решения задачи оптимального управления производством аммиачной селитры (АС).

На производстве АС в настоящее время эксплуатируется щитовая пневматическая система контроля и управления, имеющая низкие метрологические характеристики и быстродействие. Использование в системе управления современных средств микропроцессорной техники и двухуровневой иерархической системы управления позволит проводить процесс на новом качественном уровне.

Особое внимание в работе уделено разработке теоретических вопросов использования декомпозиционных методов оптимизации и их реализации в распределенных системах управления. В качестве конечного результата предложены алгоритмы декомпозиционного управления в производстве АС на ОАО «ЭлектроХимПром», г. Чирчик.

Целью настоящей работы является формулировка задачи оптимального управления производством АС, разработка его математической модели и создание эффективных алгоритмов пригодных для использования в распределенных автоматизированных системах управления, построенных на базе современных технических средств.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на принципах системного анализа объектов химической технологии методах математического моделирования и декомпозиционного управления производством.

Научная новизна работы заключается в следующем: — сформулирована задача управления производства АС и впервые предложены пути ее решения, как задача декомпозционного управления,.

— исследован метод явной декомпозиции и сформулированы обусловленные им локальные и глобальная задачи производством АС,.

— построена математическая модель данного процесса, 4.

— разработан универсальный алгоритм декомпозиционного управления производством АС, основанный на применении комплексного метода Бокса (КМБ) совместно с методом скользящего допуска (МСД), который эффективен при решении задач оптимизации, обеспечивает высокую скорость сходимости вычислительных процессов и заданную точность решения задачи, на основе вычислительных экспериментов решена задача оптимального управления производством АС.

Практическая значимость. Предложена и обоснованна многоуровневая иерархическая система управления производством АС. Разработан алгоритм декомпозиционного управления, который может быть использован в качестве базового при построении алгоритмов управления сложными процессами химических производств, а также непрерывных производств, имеющих аналогичную структуру в других отраслях промышленности. Данный алгоритм, основанный на применении КМБ и МСД, эффективен в задачах оптимизации, содержащие, как однородные ограничения, заданные в виде уравнений или неравенств, так и смешанные ограничения. МСД обеспечивает универсальность алгоритма, а КМБ, за счет грубого сканирования области допустимых решений на первых этапах поиска, обеспечивает повышенную вероятность определения абсолютного оптимума в многоэкстремальных задачах. Предложен вариант технической реализации системы управления процессом производства АС на базе двухуровневой иерархической системы управления, с использованием оборудования и новейших разработок компании НопешеП, США.

Апробация работы. Результаты работы апробированы на следующих конференциях: межвузовская научно-техническая конференция «Моделирование в химии и химической технологии» (г.Ташкент, 2002 г.), 16-я Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», (г. Санкт-Петербург, 2003 г), а также на научных конференциях и семинарах МГУИЭ.

При этом конкретное участие автора заключалось в постановке задач, проведении вычислительных экспериментов, анализе полученных результатов. Все соавторы принимали участие в постановке задач и обсуждении результатов.

Основной материал работы изложен в четырех главах.

Первая глава посвящена анализу — технологического процесса производства АС и постановке задачи исследований.

В первом разделе приводится краткое описание технологического процесса, предназначенного для получения гранулированной аммиачной селитры.

В следующем разделе рассматриваются особенности данного процесса как объекта управления, приводится структурная схема производства АС и описана структура взаимосвязей отдельных стадий процесса. Отмечаются трудности автоматизации данного процесса, обусловленные рядом причин технологического характера.

В четвертый раздел посвящен описанию двухуровневой иерархической системе управления данным производством. Обоснована необходимость применения декомпозиционных методов при организации управления производством.

В пятом разделе исследуется проблема, рассмотренная в данной работе, и приведен анализ уровня автоматизации на предприятиях отрасли на основе работ других авторов.

В конце главы даны основные этапы решения задачи исследования.

Вторая глава посвящена постановке задачи управления и построению математической модели производством АС.

В качестве критерием оптимальности проведения процесса рассматривается сумма удельных технологических затрат по каждой подсистеме. Таким образом, задача управления производством АС заключается в минимизации данного критерия.

Задача характеризуется большой размерностью и сложной структурой, обусловленной многостадийностью процесса и сложными взаимосвязями между отдельными участками производства. Решение данной задачи традиционными методами приводит к большим затратам машинного времени и требуют большого объема памяти ЭВМ. По этой причине во второй главе показана целесообразность использования декомпозиционного подхода при решении задачи оптимального управления производством АС.

В результате декомпозиции возникающие задачи соответствуют локальным задачам управления подсистемами объекта и глобальной задаче их координации, решаемых соответственно на первом и втором уровнях иерархической системы управления. Решение этих задач может выполняться раздельно, за счет чего и достигается основной эффект применения методов.

Во втором разделе главы проведен краткий аналитический обзор существующих математических моделей процесса нейтрализации, где отмечается идентичность всех моделей, несмотря на их многообразие, и отсутствие описания изменения концентрации щелоков. Построена математическая модель основных технологических узлов производства АС, в частности процесса нейтрализации и выпаривания, что необходимо для решения поставленной задачи управления и определения некоторых неизмеряемых параметров.

Математические модели подсистем построены с применением аналитических и экспериментальных методов, путем составления основных уравнений материальных и тепловых балансов.

Математическая модель была проверена на адекватность по экспериментальным данным на промышленном объекте по критерию Фишера и ошибка не превышает 8%.

В третьей главе работы обоснован выбор метода явной декомпозиции для решения оптимального управления производством АС и разработан алгоритм решения задачи, окончательная формулировка, которой будет записана с учетом выбранного метода.

Использованный в работе метод явной декомпозиции выбран в результате сравнения его с методом неявной декомпозиции. Метод явной декомпозиции опирается на прямой поиск оптимальных решений, для чего необязательно требование непрерывности, дифференцируемости и выпуклости функций. Другое преимущество метода явной декомпозиции состоит в том, что при любых допустимых значениях параметров координации решение локальных задач удовлетворяют в нем всем ограничениям исходной задачи, и потому он позволяет получать приближенные решения, реализуемые на объекте управления, что имеет большое значение, так как на практике математические модели не полностью адекватны объекту.

В следующем разделе исследован метод явной декомпозиции и проведена декомпозиция задачи управления производством АС, в соответствии со структурой процесса.

Четвертый раздел посвящен разработке алгоритма декомпозиционного управления производством АС и описанию требований и преимуществ его применения. Алгоритм основан на использовании комплексного метода Бокса (КМБ) совместно с методом скользящего допуска (МСД).

В пятом разделе представлен глобальный алгоритм декомпозиционного управления данного процесса.

Алгоритм характеризуется тем, что для решения задачи координации и локальных задач с ограничениями типа неравенств, применяется КМБ.

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с технической реализацией проектируемой системы управления процессом производства АС.

В первом разделе приводится функциональная структура системы управления производством АС: основные функции и организация двухуровневой системы управления производством АС, построенной по иерархическому принципу. Далее рассмотрена схема автоматизации производства и основные требования, предъявляемые к ней.

Следующий раздел содержит обоснование выбора и описание необходимых технологических средств для реализации двухуровневой системы управления данного процесса. В качестве аппаратных средств для осуществления всех функций контроля и управления используется система TOTAL PLANT SOLUTION (TPS) производства США интегрированная с системой противоаварийной защиты FAIL SAFE CONTROL (FSC 101R) и с системой архивирования данных процесса PROCESS HISTORI DATABASE (PHD). В качестве технологического средства для реализации функций управления в основных контурах регулирования был выбран контроллер High-Performanct Process Manager (НРМ) фирмы Honeywell. Управление на верхнем иерархическом уровне осуществляется с использованием компьютера IBM PC.

Предложенная двухуровневая иерархическая система управления АС реализована на Ферганском заводе по производству слабой азотной кислоты и аммиачной селитры, «Азот», г. Фергана, Узбекистан.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Работа выполнена на кафедре «Информатика и компьютерные системы» Московского государственного университета инженерной экологии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. I.

1. Проведен анализ технологического процесса производства АС и сформулирована общая задача управления данным процессом как задача оптимального управления сложной химико-технологической системой. Предложено математическое описание критерия эффективности оптимизационной задачи.

2. Показана необходимость использования декомпозиционного подхода, реализуемого в иерархических системах управления, для решения задачи оптимизации статического режима производства АС, которая характеризуется большой размерностью и сложной структурой, обусловленной многостадийностью процесса и сложными взаимосвязями между отдельными участками производства.

3. Построена математическая модель производства АС, в частности процесса нейтрализации и выпаривания. Учитывая, что процесс не связан с использованием катализаторов, слабо подвержен влиянию внешних факторов и не вызывает быстрого изнашивания оборудования, то в работе рассмотрен статический режим работы подсистем.

4. Исследован декомпозиционный подход в решении задачи управления и проведено сравнение методов явной и неявной декомпозицию. Подробно рассмотрен метод явной декомпозиции и сформулированы обуславливаемые им локальные и координирующая задачи.

5. Сформулированы требования к алгоритмам реализации метода явной декомпозиции, разработаны и исследованы алгоритмы реализации метода, как наиболее эффективного при решении задачи оптимального управления производством АС.

6. Построен алгоритм для решения задачи оптимального управления производством АС, основанные на применении метода скользящего допуска совместно с комплексным методом Бокса, и обоснованна целесообразность использования указанных методов в алгоритме.

7. Разработан пакет программ управляющей подсистемы АСУТП, который позволяет моделировать процесс производства АС и определять оптимальные режимы проведения процесса, используя разработанный алгоритм.

8. Предложен вариант технической реализации двухуровневой системы иерархического управления производством АС на базе системы TOTAL PLANT SOLUTION (TPS) фирмы Honeywell производства США. Функции подсистемы верхнего уровня реализованы на персональном компьютере IBM PC, основу подсистемы нижнего уровня составил контроллер High-Performance Process Manager (НРМ).