Лекция 1 - insycom.ru · Title: Microsoft PowerPoint - Лекция 1 Author: Andrey Gavrilov...

ГавриловА.В., НГТУ, кафедра АППМ

1

Автоматизация химико-технологических процессов

Андрей Владимирович Гаврилов, доцентV-241, [email protected]

http://www.insycom.ruЛекция 1. Введение


2

Содержание дисциплины• Лекции

– Основные понятия автоматизации процессов (АСУТП и АСУП)– Связь с объектом при автоматизации химико-технологического

процесса (датчики и исполнительные устройства)– Примеры SCADA-систем для разработки АСУТП– Методы ИИ в управлении технологическими процессами– Основы проектирования автоматических систем управления химико-

технологическими процессами• Лабораторные работы

– Инструментарий для автоматизации технологических процессов(TraceMode, Genesis32, Labview, …), инструментарий для созданияэкспертных систем (ESWin)

• РГР– Подготовка презентации и выступление с докладом о какой-либо

системе автоматизации конкретного технологического процесса– Разработка экспертной системы в ESWin для управления каким-либо

технологическим процессом


3

Автоматизация производства

Процесс производства

Энергия Энергия’

Материалы

Информация

Материалы’

Информация’


4

Виды производств

• Непрерывное– Требуется регулировать расход, давление, температуру, напряжение, перемещениеподвижных элементов и пр. величины вовсех их диапазонах изменений

• Дискретное– Требуется регулировать переменныевеличины с дискретным количествомсостояний, например, вкл. или откл. клапанов, задвижек, пускателей и т.п.


5

• Производственный процесс— это совокупностьдействий, необходимых для выпуска готовыхизделий из полуфабрикатов или связанных сфункционированием производственногоподразделения.

• Технологический процесс — это совокупностьдействий, связанных с обеспечением требуемыхвыходных параметров данного процесса.

• Технологический процесс является основной частьюпроизводственного процесса, поэтому можноговорить о наличии технологического процесса улюбого подразделения данной производственнойсистемы независимо от того, выполняет ли оноосновные или вспомогательные функции поотношению к так называемому основному продуктупроизводства.


6

Виды управления

• Управление технологическимпроцессом (АСУТП)

• Управление предприятием (АСУП)– АСУТП + автоматизация управлениязапасами, финансами, кадрами, маркетингом + документооборот


7

АСУП


8

АСУП (2)


9

АСУП (3)


10

АСУП (4)


11

АСУТП• Автоматизация технологическогопроцесса – это совокупность методов исредств, предназначенная для реализациисистемы или систем, позволяющихосуществлять управлениепроизводственным процессом безнепосредственного участия человека– не только управление– в технологическом процессе можетприсутствовать человек, в том числе, еслитехнологические процессы относятся корганизациям


12

Цели автоматизациитехнологического процесса

• Повышение эффективностипроизводственного процесса– оптимизация

• Повышение безопасностипроизводственного процесса


13

Цели достигаются путем:

• Улучшения качества регулирования• Повышения коэффициента готовностиоборудования

• Улучшения эргономики трудаоператоров процесса


14

Решение задач путем:• Внедрения современных методов автоматизации

– Методов автоматического регулирования– Методов оптимизации;– Методов визуализации;– Методов искусственного интеллекта.

• Внедрения современных средств автоматизации– Конкретной SCADA-системы;– Конкретных современных датчиков;– Конкретных контроллеров;– Программных средств ИИ (экспертных оболочек, оболочекдля работы с нейронными сетями и т.д.).

В результате автоматизации технологическогопроцесса, создаётся АСУ ТП


15

Виды автоматизации ТП

• Автоматизация непрерывныхтехнологических процессов (ProcessAutomation)

• Автоматизация дискретныхтехнологических процесов (FactoryAutomation)

• Автоматизация гибридныхтехнологических процессов (HybridAutomation)


16

Процесс управления объектом

СУ – система управленияОУ – объект управленияСАР – система автоматического регулированияУЛУ – устройство логического управленияS – состояние технологической средыZ – информация с датчиковY – управляющие воздействия


17

Химико-технологические объектыуправления

• ТОУ - это совокупность совместнофункционирующих технологическогооборудования и реализованного на немтехнологического процесса.

• К ТОУ относят как отдельныетехнологические агрегаты и установки, реализующие локальный технологическийпроцесс, так и целые производства (участки, цехи). Существуют «супер-ТОУ» - установки, включающие сотни технологическихаппаратов (на нефтеперерабатывающихзаводах).


18

Требования к ТОУ• Оборудование ТОУ должно быть полностьюмеханизировано и должно безотказно работать вмежремонтный период.

• ТОУ должен быть управляем, т.е. разделен наопределенные зоны с возможностью воздействия натехнологический режим в каждой из них изменениемматериальных и энергетических потоков.

• Возможность воздействия на характеристикиоборудования.

• Возможность доступа обслуживающего персонала кместам установки датчиков, исполнительныхмеханизмов, регулирующих органов.

• Число возмущающих воздействий должно быть сведенок минимуму, что возможно в результате установки: ресиверов; емкостей с мешалками; теплообменников, уменьшающих амплитуду и частоту изменения такихпараметров, как давление, состав, температура.


19

Типовая схема технологическогопроизводства химических продуктов

Подготовкасырья

Выделениецелевыхпродуктов

Химическийсинтез

Сырье Целевыепродукты


20

Типы ТОУ (по тоннажу иструктуре ассортимента)

• Крупнотоннажные ТОУ - ориентированныена продукцию конкретной ,фиксированнойноменклатуры с объемами выпуска: сотни -десятки тысяч тонн.

• Малотоннажные ТОУ - ориентированныена выпуск продукции разнообразной и быстроменяющейся номенклатуры, с объемамивыпуска: граммы - десятки тонн


21

Типы ТОУ (по характеру работы)• ТОУ периодического действия - ТОУ, в которых аппараты (ТО)

работают в циклическом режиме, а технологические процессы (ТП) представляют собой последовательность технологических иорганизационных операций, имеющих конечную продолжительность. Термину «периодический процесс», принятому в химическойтехнологии соответствует общесистемный термин « дискретныйпроцесс».

• ТОУ непрерывного действия - ТОУ, в которых аппараты работаютнепрерывно, на вход аппарата непрерывно подаются исходныереагенты, на выходе аппарата непрерывно отводятся выходныепродукты а технологический процесс ведется в установившемсярежиме.

• ТОУ полунепрерывного действия - ТОУ, в которых аппаратыфункционируют непрерывно только в пределах интервала времени, необходимого для переработки конечной порции сырья илипромежуточного продукта. В этих пределах в аппараты непрерывноподаются исходные реагенты, а с выходов - непрерывно отводятсяпродукты. Технологические процессы ведутся в установившемсярежиме. Между интервалами времени работы аппараты находятся врежиме ожидания.


22

Типы ТОУ (по степени важности)

• Основные ТОУ - ТОУ для реализации основныхтехнологических процессов производства. Косновным ТОУ относят процессы иоборудование для реализации стадий подготовкисырья, химического синтеза, разделения иочистки целевых продуктов.

• Вспомогательные ТОУ - к вспомогательным ТОУотносят процессы и оборудование для временногохранения исходных реагентов, промежуточных иконечных продуктов, осуществления транспортныхопераций.


23

Типы ТОУ (по информационнойемкости)

ПроизводствоТехническогоуглерода

2500 и вышеВысокая

ПроизводствоЭтилена

651 - 2500Повышенная

Установка первичнойперегонки нефти

161 - 650Средняя

МассообменнаяКолонна

41 - 160Малая

Насосная станцияРезиносмеситель

10 - 40Минимальная

Пример ТОУЧисло параметров, участвующих вуправлении

Информационнаяемкость объекта


24

Типы ТОУ (по характерупараметров управления)

• ТОУ с сосредоточенными параметрами - ТОУ, вкоторых регулируемые параметры (в данный моментвремени, в разных точках аппарата), имеют однозначение соответствующего параметра.

• ТОУ с распределенными параметрами - ТОУ, вкоторых значения параметров неодинаковы вразличных точках объекта в данный моментвремени. Большинство процессов химическойтехнологии являются объектами с распределеннымипараметрами.

• Пример: температура и концентрация по высотеректификационной колонны.


25

Типы ТОУ (по типутехнологического процесса)

• Гидромеханические процессы - процессы, осуществляющие перенос количества движения.

• Тепловые процессы - процессы переноса энергиив форме теплоты (теплопроводностью, конвекцией, излучением).

• Массообменные процессы - процессыперемещения вещества в пространстве за счетразности концентраций.

• Механические процессы - процессы переработкитвердых материалов под действием механическихсил (их измельчение и разделение по фракциям).

• Химические процессы - процессы, характеризующие образование новых, отличающихсяот исходных по химическому составу или строению, веществ при сохранении общего числа атомов иизотопного состава.


26

Автоматическое регулирование

• Для оптимального хода технологическогопроцесса некоторые его параметрытребуется поддерживать постоянными, анекоторые — изменять по определенномузакону.

• При работе того или иного объекта на неговоздействуют различные внешние ивнутренние возмущающие факторы, нарушающие оптимальный ходтехнологического процесса.


27

Задачи автоматическогорегулирования в АСУТП

• поддержание на заданном уровне одного или несколькихтехнологических параметров. Автоматические системы регулирования(АСР), решающие задачи такого типа, называются системамистабилизации. Примеры таких систем — системы регулированиядавления и температуры перегретого пара в котлоагрегатах, числаоборотов в паровых и газовых турбинах и т.п.;

• поддержание соответствия между двумя зависимыми или однойзависимой и другими независимыми величинами. Системы, регулирующие соотношения, называются следящими; к нимотносятся, например, автоматические системы регулированиясоотношения “топливо-воздух” в процессе подачи топлива илисоотношения “расход пара-расход воды” при питании котлов водой;

• изменение регулируемой величины во времени по определенномузакону. Эти системы называются системами программногорегулирования.

• Кроме перечисленных, существуют также экстремальные (поисковые) автоматические системы, обеспечивающие максимальнуюэффективность функционирования технологического объекта


28

Состав САР• объект регулирования (ОР), характеризующийся регулируемой величиной х(t);• измерительное устройство (ИУ), измеряющее регулируемую величину и

преобразующее ее в форму, удобную для дистанционной передачи;• задающее устройство (3У), из которого поступает сигнал g(t), определяющий заданное

значение или закон изменения регулируемой величины;• суммирующее устройство (СУ), в котором действительное значение регулируемой

величины х(t) сравнивается с ее требуемым значением g(t) и выявляется отклонение=g(t)-x(t);

• регулирующее устройство (РУ), вырабатывающее при поступлении на его входотклонения регулирующее воздействие, которое необходимо подать на объектрегулирования для устранения этого отклонения;

• исполнительный механизм (ИМ), который усиливает регулирующее• воздействие и преобразует его в форму , пригодную для воздействия на объект

регулирования; • регулирующий орган (РО). Исполнительные механизмы являются унифицированными,

и из-за огромного многообразия объектов регулирования они часто не могутнепосредственно воздействовать на регулируемую величину, поэтому это воздействиепередается через специальный регулирующий орган, обычно встраиваемый в ОР;

• линии связи, через которые сигналы передаются от элемента к элементу (кабели ипровода для электрических сигналов и медные, стальные или пластмассовыетрубопроводы диаметром 4-20 мм для пневматических и гидравлических сигналов).


29

Структурная схема автоматической системырегулирования (АСР).Одноконтурная АСР

ЗУ РУ ИМ

РО

ОР

ИУ

x(t)

1 2

E У


30

АСУТП

• В АСУ ТП, кроме различных АСР, входят– Устройства технологического контроля,– Устройства защиты,– Устройства блокировки– Устройства дистанционного управленияотдельными ИМ и РО,

• Технологический контроль и дистанционноеуправление в этих системах в отличие отАСР осуществляются по разомкнутымканалам.


31

Структурная схема автоматизированноготехнологического комплекса (АТК)

ЛАСР – локальные АСР; ВП – вторичный измерительный прибор; ТОУ – технологический объект управления; n и m – количестваЛАСР и каналов измерения соответственно


32

Каналы управления объектом:• объект - регулятор - объект. В этом канале регулятор сравнивает значение

регулируемой величины с заданным и по отклонению вырабатываетрегулирующие воздействия на объект, т.е. по этому каналу АТК являетсяобычной локальной АСР;

• объект - ЭВМ - регулятор - объект. В этом канале информация от объектасначала обрабатывается в ЭВМ, и на регулятор подается управляющеевоздействие по корректировке его задания. Такой канал управленияприменяется в ВП тех случаях, когда в результате обработки исходнойинформации в ЭВМ выявляется технически оптимальное и практическиреализуемое решение о необходимости корректировки хода технологическогопроцесса. В этом случае цепочка “ЭВМ-регулятор” функциональнопредставляет собой экстремальный регулятор, постоянно обеспечивающийоптимальный ход технологического процесса. Эти каналы могут также работатьв режиме обычных ЛАСР;

• объект - ЭВМ - человек - регулятор - объект. Этот канал управленияиспользуется в АТК для случаев, когда обработанная ЭВМ информация недает возможности однозначно принять решение по корректировкеуправляющего воздействия на объект. В этом случае ЭВМ выдает информациюи предложения по принятию мер, а окончательное решение о корректировкехода технологического процесса в данной ситуации принимает человек. Поэтому каналу система является не автоматической, а автоматизированной, т.к. замыкается через человека;

• объект - ЭВМ - человек. По этому каналу ЭВМ выдает на верхний уровеньразличную учетно-отчетную информацию.


33

Основные поставщики систем автоматизациитехнологических процессов

• SIEMENS (Германия)• Yokogava Electric Corp. (Япония)• Emerson (США)• National Instruments (США)• ICONICS (США)• Adastra Research Group Ltd. (Россия)


34

Литератураосновная

1. Беспалов А.В., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. ИКЦ«Академкнига», 2007. 696 с.

2. Конюх В.Л. Компьютерная автоматизация производства. Новосибирск, НГТУ, 2006, Ч. 1-2.3. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в

химической промышленности. М.: Химия, 1988.288 с.4. Дудников Е.Г. и др. Автоматическое управление в химической промышленности. М.: Химия, 1987. 368

с.5. Коваль Ж.А., Строганов В.Ф., Шмульян И.К. Текст лекций по курсу «Автоматика и автоматизация

производства». Раздел: «Автоматический контроль производственных параметров»/МХТИ им. Д.И. Менделеева, М.,1981.40с. [№2336].

6. Коваль Ж.А., Шмульян И.К. Автоматика и автоматизация производства. Текст лекций /МХТИ им. Д.И. Менделеева, М.,1982.35с. [№2544].

7. Измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи показаний / Под ред. Ж.А. Коваля; МХТИ им. Д.И. Менделеева. М., 1987. 24с. [№3363].

8. Коваль Ж.А. Устойчивость системы регулирования /МХТИ им. Д.И. Менделеева, М.,1981.17с. [№2336].9. Коваль Ж.А., Харитонов Н.И., Шмульян И.К. Сборник упражнений и задач по курсу «Автоматика и

автоматизация производства» / МХТИ им. Д.И. Менделеева. М., 1982. 64с. [№2555].10. Руководство по лабораторным работам по курсу «Автоматика и автоматизация производства» / Под

ред. Ж.А. Коваля; МХТИ им. Д.И. Менделеева. М., Ч.1,1988.76с. [№3405]. Ч2, 1984.64с. [№2822].11. Строганов В.Ф., Коваль Ж.А. Иллюстративные материалы к лекциям по курсу «Автоматика и

автоматизация производства» / МХТИ им. Д.И. Менделеева. М., 1982.42 с. [№3842].


35

Литературадополнительная

• Методы классической и современной теории автоматическогоуправления: Учебник в 3-х т. Т.1. Анализ и статистическаядинамика систем автоматического управления / Под ред. Н. Д. Егупова. - М.:МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. 748 с.

• Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. 3-е изд., М.: Энергия, 1978. 702с.

• Стефани Е.П. Основы построения АСУ ТП. М.: Энергоиздат, 1982. 352 с.

• Автоматизация технологических процессов. Обозначенияусловных приборов и средств автоматизации в схемах ГОСТ21.404-85. М.: Из-во стандартов, 1985. 16 с.

• Практикум автоматики и системам управленияпроизводственными, процессами / Под ред. И.М. Масленникова. М.: Химия, 1986. 336 с.

Лекция 1 - insycom.ru · Title: Microsoft PowerPoint - Лекция 1 Author: Andrey Gavrilov...

Documents

Transcript of Лекция 1 - insycom.ru · Title: Microsoft PowerPoint - Лекция 1 Author: Andrey Gavrilov...