Локальные системы автоматического регулирования. А. у. химико-технол. процессами на первом уровне осуществляется с помощью локальных систем автоматич. регулирования (САР). Локальные САР-осн. звенья автоматизир. системы управления (АСУ) хим. произ-вом, т. к. они непосредственно воздействуют на физ.-хим. процессы.
Регулирование представляет собой частный случай управления, при к-ром желаемое течение процесса достигается стабилизацией одной или нескольких физ. величин относительно заданных их значений (постоянных или переменных). Критерий управления в САР-точность поддержания заданных технол. параметров, обеспечивающих макс. эффективность процессов (напр., макс. съем продукции с единицы объема аппарата).
Локальные САР можно классифицировать по принципу регулирования, а также по функциональному и энергетич. признакам. В первом случае САР подразделяют на системы регулирования по отклонению регулируемого параметра (т-ра, давление, концентрация, расход, уровень и т.д.), компенсации возмущающего воздействия (изменение нагрузки, состава питания и др.) и комбинированные.
В зависимости от функционального назначения САР м. б. стабилизирующими, следящими и программными. Стабилизирующая САР служит для поддержания регулируемого параметра равным его заданному значению посредством компенсации возмущающих воздействий. Эти САР широко применяют для стабилизации заданных технол. параметров (напр., т-ры в зоне хим. р-ции). Назначение следящей САР-изменять регулируемый параметр, произвольно изменяя его заданное значение. Подобные САР используют при необходимости корректировать заданный режим процесса в соответствии с изменившимися условиями (напр., изменять подачу пара в куб ректификац. колонны при изменении кол-ва питания). Назначение программной САР-изменять регулируемый параметр согласно заранее известному закону изменения его заданного значения. Подобные системы применяют в осн. при управлении периодич. процессами (напр., для изменения теплового режима в реакторе). Несмотря на различие функционального назначения, САР имеют одинаковую структуру и расчет их базируется на одних и тех же теоретич. принципах.
В соответствии с классификацией по энергетич. признаку, т. е. в зависимости от вида энергии, используемой для передачи воздействий, применяют электрич. (электронные), пневматич. и гидравлич. системы регулирования. Стремление объединить преимущества разл. по энергетич. признаку систем стало причиной появления комбинированных САР: электропневматических, электрогидравлических и т.д. В подобных системах для выработки регулирующего воздействия можно применять электрич. энергию, а для перемещения регулирующего органа-пневматическую. При этом гибкость электронных схем используется при построении регуляторов, располагаемых в диспетчерских, и сохраняются условия пожаро- и взрывобезопасности для регулирующих органов, к-рые размещают непосредственно в цехах.
Математическое описание САР. Конкретную задачу автоматич. регулирования можно решить лишь при условии знания параметров данного процесса. При этом объект регулирования является, как правило, неизменяемой частью системы, характеристики к-рой определяются процессом. Естественно, что св-ва объекта регулирования особенно важны при конструировании САР. Оптимальный результат дает совместное проектирование технол. процесса и системы управления им.
Св-ва пром. объектов, к-рые приходится учитывать при решении задач автоматизации, м. б. различны. Это прежде всего относится к процессам хим. технологии. Однако при всем многообразии их св-в и технол. задач все объекты ав-томатич. регулирования имеют ряд общих св-в (инерционность, распределенность и взаимосвязанность параметров, неустойчивость, запаздывание в каналах управления и др.).
Для описания типовых химико-технол. процессов в целях управления ими используют математические модели этих процессов (см. Моделирование). Такие модели можно составлять на основе рассмотрения физ.-хим. характеристик и эксплуатац. показателей процесса. При этом модели должны отражать как статич. (стационарный режим), так и динамич. (нестационарный режим) характеристики процесса. Учитывая, что в теории автоматич. регулирования наиб. развиты и внедрены в инженерную практику методы анализа и синтеза линейных САР, мат. модели объекта регулирования необходимо линеаризовывать.
Для объектов с одним регулируемым параметром полученные тем или иным способом мат. модели м. б. представлены в виде дифференц. ур-ния, передаточной ф-ции или амплитудно-фазовой (частотной) характеристики; для объектов с неск. регулируемыми величинами-в виде системы дифференц. (обыкновенных или в частных производных) ур-ний, сигнальных графов, передаточных матриц или ур-ний состояния. Мат. модель объекта используют для формирования требуемого закона управления, оптимально удовлетворяющего заданному критерию, и, в конечном счете, для синтеза САР.
В простейших, но наиб. распространенных на практике случаях применяют линейные законы регулирования: пропорциональный (П), интегральный (И), дифференциальный (Д) или их комбинации: пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-дифференциальный (ПД), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД).
Самонастраивающиеся САР. Рассмотренные законы регулирования успешно используются, если св-ва объектов линейны и не изменяются во времени. Однако в пром. условиях характеристики объектов м. б. нелинейными, напр. зависящими от нагрузки на аппарат, а также изменяться во времени (напр., активность катализатора). Тогда с целью сохранения высокого кач-ва регулирования применяют адаптивные, или самонастраивающиеся, системы, к-рые при изменении характеристик объекта автоматически изменяют параметры автоматич. регуляторов или даже их структуру. При этом можно использовать разл. принципы самонастройки.
Применение адаптивных систем с эталонной моделью (мат. модель процесса при нормальном режиме) особенно эффективно для управления процессами хим. технологии с резко изменяющимися динамич. св-вами. Всякое изменение характеристик реального процесса оценивается по такой модели, в результате чего вырабатывается корректирующее воздействие для подстройки параметров автоматич. регулятора.
Другой тип самонастраивающихся САР-система экстремального регулирования, автоматически отыскивающая оптимальные значения регулирующих воздействий для управления параметрами процесса.
Повышение кач-ва регулирования приводит к усложнению закона управления. Осуществление таких более сложных законов управления (самоорганизующиеся САР, системы многосвязного регулирования и др.) возможно на базе современных мини- и микро-ЭВМ.
Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Локальные САР не только стабилизируют технол. параметры, но и могут также вести процесс по заданной программе или изменять его режим по команде со второго уровня управления. На этом иерархич. уровне АСУ координирует работу группы взаимосвязанных материальными и энергетич. потоками аппаратов (параллельно работающих колонн, каскада реакторов, агрегатов с рециклом и более сложных комплексов), к-рые образуют химико-технол. систему (ХТС). Ее назначение заключается, как правило, в получении нек-рого целевого (или промежуточного) продукта заданного кач-ва с миним. затратами сырья и энергии. Указанная постановка задачи определяет и осн. принцип управления-оптимизацию технол. режимов отдельных процессов и системы в целом для достижения экстремального значения принятого критерия управления.
В структуре хим. предприятия ХТС представляют собой отдельные цехи или произ-ва. Характеристики эффективности их функционирования-расходные нормы по сырью, топливу, электроэнергии, греющему пару и охлаждающей воде, а также экономич. показатели (производительность труда, себестоимость продукции, приведенные затраты, прибыль и др.).
Мат. модель ХТС содержит модели составляющих ее элементов (типовых процессов хим. технологии) и более сложна, т.к. включает не только мат. описания происходящих в этих элементах физ.-хим. явлений, но и структуру технол. связей между элементами, а также экономич. оценки. Посредством такой обобщенной модели с использованием разл. методов поиска экстремума на ЭВМ отыскивается оптимальный режим функционирования ХТС. Найденные значения технол. параметров, соответствующих этому режиму, передаются на первый уровень в виде задания локальным САР и служат для АСУ второго уровня управляющими воздействиями. Поиск последних производится периодически в зависимости от частоты возмущений в системе. Мат. модель также периодически уточняется и корректируется на основе поступающей в АСУ информации о характеристиках реального технол. процесса. Эта информация м. б. собрана путем измерения при нормальных условиях текущих характеристик процессов ХТС или как результат активного (специально организованного) воздействия на систему. На этом уровне из-за сложности и громоздкости мат. моделей, полученных изучением физ.-хим. основ технол. процессов, в большей степени используются статистич. модели, к-рые построены статистич. аппроксимацией мат. моделей отдельных процессов или на базе экспериментально-статистич. данных (регрессионных или корреляционных соотношений между параметрами входных и выходных материальных и энергетич. потоков ХТС).
Сложность ХТС и иерархич. принципы управления обусловливают применение при формировании законов управления принципов оптимизации и декомпозиции (см. Оптимизация). Последние позволяют провести декомпозицию большой задачи оптимизации на последовательность меньших задач. В автоматизир. системе управления химико-технол. процессами (АСУТП) эти задачи решаются на двух уровнях: на первом подсистемы (элементы) ХТС оптимизируются независимо друг от друга, на втором полученные решения согласовываются для достижения общего оптимума системы. Найденные значения управляющих воздействий, к-рые отвечают оптимальному режиму работы ХТС, передаются на настройки локальных регуляторов.
Кроме решения задач оптимизации, АСУТП выполняет след. ф-ции: собирает и перерабатывает информацию о контролируемых технол. параметрах и состоянии оборудования; осуществляет защиту и блокировку ср-в автома-тич. управления, входящих в состав системы, и т. д.; дистанционно управляет пуском и остановкой аппаратуры, рассчитывает технико-экономич. показатели. Функционирование АСУТП технически реализуется с помощью спец. управляющих вычислит. машин (УВМ).
Автоматизированные системы управления предприятием. Совокупность технол. процессов и систем, подлежащих управлению, и его техн. ср-в образует автоматизир. систему управления хим. предприятием (АСУП).
Эффективность работы предприятия. Хим. предприятие включает группу разных произ-в, к-рые комплексно и наиб. полно перерабатывают хим. сырье. Задача управления на третьем иерархич. уровне - обеспечить бесперебойное функционирование предприятия с целью выполнения плана по выпуску заданного ассортимента хим. продукции в соответствии с требованиями стандартов и техн. условий.
Эффективность деятельности хим. предприятия определяется экономич. показателями, поскольку варианты организации того или иного произ-ва, часто эквивалентные по технол. показателям, могут иметь неодинаковую экономич. значимость для данного предприятия и народного хозяйства в целом.
К осн. показателям эффективности работы хим. предприятия относятся:
кол-во (т/год) реализованной продукции (может быть и продуктов), ее кач-во
(оценивается по совокупности физ.-хим. параметров), эксплуатац. и капитальные
затраты, включая расходы на создание необходимых для функционирования произ-ва
оборотных фондов. В кач-ве обобщенного показателя экономич. эффективности
произ-ва можно использовать т. наз. приведенный доход (руб./год):
где Цj- - отпускная цена на продукт j-того вида (или утилизируемую энергию); В;-годовой объем выпуска и реализации j-того конечного продукта (утилизируемой энергии); Зэ-суммарные эксплуатац. затраты; Е-нормативный коэф. экономич. эффективности капиталовложений (величина, обратная нормативному сроку окупаемости); Кt-производств. фонды, т. е. единовременные затраты с учетом фактора времени.
Возмущающими воздействиями, к-рые нарушают функционирование хим. предприятия, являются возможные аварии, неравномерность поступления сырья и отгрузки готовой продукции, остановки оборудования на ремонт и т.п. Условно к возмущениям можно отнести также и изменения плановых заданий предприятию вышестоящими организациями.
Функции АСУП и создание АСУОТ. Система управления хим. предприятием в целом выполняет ф-ции перспективного и текущего планирования, а также оперативного управления совокупностью произ-в, но в большей степени на организационном, чем на технол. уровне. АСУП-интегрированная автоматизир. информационно-вычислит. система, объединяющая и координирующая работу систем управления всех предыдущих ступеней иерархии хим. предприятия.
Практически объединение второго и третьего уровней приводит к созданию организационно-технол. АСУ (АСУОТ). Последние обеспечивают согласование целей управления технол. и организац. процессами на произ-ве, ускорение передачи управляющей информации и соответствующих команд по уровням иерархии, повышение достоверности и степени использования оперативной информации разными звеньями системы. Т. обр., АСУОТ объединяет ф-ции АСУТП (АСУ агрегатами, цехами, комплексами взаимосвязанных цехов, произ-вами и т. д.) и АСУП (подсистемы управления основными и вспомогат. произ-вами, управлением сбытом и др.).
Принцип построения АСУОТ можно показать на примере АСУ производств.
объединением "Азот" (см. рис.).
Организационно-технол. автоматизир. система управления (АСУ производств. объединением "Азот").
Эта система состоит из центр. автоматизир. системы оперативно-диспетчерского управления (ЦАСОДУ), представляющей собой верх. уровень оперативного управления объединением, и ряда систем управления на уровне произ-в и крупных цехов (отдельные АСУТП). Соединение ЦАСОДУ с каждой из нижестоящих по иерархии АСУТП образует нек-рую пару совместно функционирующих АСУ. Цель всей системы - обеспечить макс. вероятность выполнения суточного задания по выработке продукции с наилучшими технико-экономич. показателями при условии соблюдения технол. ограничений.
Основные ф-ции, к-рые реализуют АСУОТ: 1) централизов. контроль за ходом технол. процессов; 2) учет результатов деятельности объединения за разные периоды (смена, сутки, месяц); 3) анализ производств. ситуаций и прогнозирование выполнения суточного задания; 4) оперативное управление произ-вом. Перечисленные ф-ции присущи как звеньям ниж. иерархич. уровня управления (АСУ цехами и произ-вами), так и ЦАСОДУ. Однако ввиду того, что для звеньев ниж. уровня объектом управления служат технол. и организац. процессы, а для ЦАСОДУ-АСУ этого уровня, упомянутые ф-ции на разл. уровнях имеют разное содержание. Так, в ЦАСОДУ подлежат контролю лишь важнейшие параметры, к-рые характеризуют ситуации, приводящие к невыполнению суточного задания или нарушению межпроизводств. связей, в то время как в системах ниж. уровня контролируются технол. параметры по отдельным агрегатам. Ф-ция учета в ЦАСОДУ реализуется на основе сбалансированных межпроизводств. материальных потоков, а в системах ниж. уровня-только на базе информации, полученной от своего объекта управления.
Взаимод. звеньев АСУОТ достигается согласованием информац. массивов, разработкой устройств сопряжения техн. ср-в обмена информацией между системами разных уровней и т.д. Информация, поступающая в ЦАСОДУ с нижестоящих звеньев АСУОТ, агрегируется по времени и массивам. Организация взаимод. между звеньями АСУОТ производится в режиме, при к-ром инициатива принадлежит верх. уровню, т.е. ЦАСОДУ запрашивает необходимую информацию или передает управляющие воздействия. Выбор частоты обращения к системе ниж. уровня зависит от динамики произ-ва. Системы ниж. уровня обслуживают полученный запрос или воспринимают управляющую информацию.
АСУП функционирует с использованием больших ЭВМ, обладающих развитой памятью и значит. быстродействием. Эффективность работы системы определяется надежностью функционирования ее техн. ср-в, совершенством программного обеспечения действующих машин и ср-в связи оператора-технолога с УВМ.
Автоматизир. система управления предприятием представляет собой одно из звеньев системы более высокого иерархич. уровня-АСУ отраслью.
Лит.: Перов В.Л., Основы теории автоматического регулирования
химико-технологических процессов, М., 1970; Кафаров В. В., Перов В. Л.,
Мешалкин В. П., Принципы математического моделирования химико-технологических
систем, М., 1974; Бояринов А.И., Кафаров В. В., Методы оптимизации в химической
технологии, 2 изд., М., 1975; Кафаров В. В., Методы кибернетики в химии
и химической технологии, 4 изд., М., 1985. В. В. Кафаров. В. Л. Перов.