Реферат по теме выпускной работы
Разработка автоматизированной системы управления процессом синтеза аммиака
Содержание:
3. Связь работы с научными программами, планами, темами
4. Предполагаемая научная новизна
5. Планируемые практические результаты
6. Обзор исследований и разработок по теме
7. Описание процесса регулирования температуры в колонне синтеза аммиака
8. Краткое описание полученных результатов
Введение
Производство аммиака является источником получения продукта, который находит применение во многих жизненно важных областях. Синтетический аммиак является сырьём для получения азотной кислоты, аммиачной селитры, мочевины и других химических продуктов, содержащих азот, а также применяется в медицине, холодильной технике, в сельском хозяйстве в качестве удобрения.
Показатель потребления природного газа является одним из важнейших факторов, определяющих рентабельность производства аммиака. На выработку 1 тонны аммиака отечественные агрегаты потребляют 1115-1380 м3 природного газа. Зачастую высокое потребление природного газа связано с тем, что большинство отечественных агрегатов являются устаревшими и значительно уступают используемым в передовых странах по энерго- и материалоемкости и экологическим требованиям. Но в последние годы на большинстве предприятий проводятся работы по реконструкции и модернизации производств, в результате которых расход природного газа и электроэнергии снижается.
1. Цели и задачи
Целями данной работы является упрощение процессов регулирования нагревания и охлаждения в колонне синтеза аммиака, создание более простой и понятной модели управления, снижение расхода сырья, необходимого для производства единицы продукции. Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
- исследовать принципы функционирования компьютерных систем химического предприятия;
- проанализировать существующие методы управления температурным режимом в колонне синтеза аммиака;
- построить нечеткую модель управления температурным режимом;
- разработать инструментальные средства для реализации нечеткой модели управления.
2. Актуальность
Применение нечеткой логики в технологических процессах – это отрасль знаний, которая в последнее время достаточно активно развивается. Нечеткая логика оперирует нечеткими лингвистическими высказываниями вместо огромного количества математических формул и чисел, что значительно улучшает понимание технологических процессов, а также снижает сложность в управлении большими промышленными объектами, ведь методы, которые заложены в управление синтезом аммиака, построены на сложных математических вычислениях, поэтому они зачастую сложны для понимания человека. Применение нечеткой логики в управлении температурным режимом в колонне синтеза должно упростить регулирование процессов нагревания и охлаждения, сделать модель управления более простой и понятной, а также снизить расход сырья, требуемый на производство продукции.
3. Связь работы с научными программами, планами, темами
Данная работа выполнялась на протяжении 2010-2011 гг. в соответствии с научными направлениями кафедры Автоматизированных систем управления Донецкого национального технического университета.
4. Предполагаемая научная новизна
Научная новизна данной работы заключается в разработке нечеткой автоматизированной системы для управления температурным режимом в колонне синтеза аммиака.
5. Планируемые практические результаты
Результатом выполнения магистерской работы должна быть разработанная экспертная система, основанная на продукционных нечетких правилах для регулирования температурного режима в колонне синтеза аммиака.
6. Обзор исследований и разработок по теме
В настоящее время существует достаточно много предприятий, которые занимаются вопросами автоматизации технологических процессов, в частности, процессов синтеза аммиака. Среди наиболее известных можно назвать такие иностранные предприятия как Siemens, Emerson, Honeywell.
Хотелось бы выделить следующие системы автоматического управления процессом синтеза аммиака:
- система DeltaV компании Emerson;
- система Experion PKS компании Honeywell;
- система SIMATIC компании Siemens.
Следует отметить, что перечисленные системы (как и многие другие современные системы) являются надежными, безотказными, гибкими и масштабируемыми, благодаря чему снижается как начальная стоимость системы, так и расходы на ее сопровождение и модернизацию. Данные системы предоставляют огромные возможности для безопасного управления, и оптимизации процесса синтеза аммиака.
Недостатком данных систем является использование в них стандартного ПИД-регулирования. ПИД-регуляторы работают на основании заложенных в них формул и уставок, они не способны к обучению, поэтому они хуже отрабатывают возмущения и нестандартные изменения в системе, чем, к примеру, нечеткий регулятор.
7. Описание процесса регулирования температуры в колонне синтеза аммиака
На этапе синтеза аммиак получается вследствие химических реакций синтез-газа в колонне синтеза. На рис. 1 показана четырехполочная колонна с аксиальными насадками. Основной поток газа поступает в колонну снизу, проходит по кольцевой щели между корпусом колонны 15 и кожухом катализаторной коробки 3 и поступает в межтрубное пространство теплообменника 6. Здесь синтез-газ нагревается конвертированным газом до 420 – 440 °С и проходит последовательно четыре слоя катализатора 8, 10, 12, 14, между которыми подается холодный байпасный газ.
После четвертого слоя катализатора газовая смесь при 500—515 °С поднимается по центральной трубе 2, проходит по трубкам теплообменника 6, охлаждаясь при этом до 320—350 °С, и выходит из колонны [1].
Синтез аммиака ведут при очень высоких давлениях (30-33 МПа), чтобы сместить равновесие в сторону образования аммиака. Температура при этом должна быть не менее 460°С (при более низких температурах процесс перестает быть устойчивым) и не более 530°С (во избежание перегрева катализатора).
Рис. 1 Четырехполочная колонна синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут 1 – люк для выгрузки катализатора; 2 – центральная труба; 3 – корпус катализаторной коробки; 4 – термопарный чехол; 5 – загрузочный люк; 6 – теплообмен ник; 7, 9, 11, 13 – ввод байпасного газа; 8, 10, 12, 14 – катализаторные слои; 15 – корпус колонны
Для достижения более высокой производительности процесса синтеза необходимо проводить процесс при высоких давлениях и оптимальном для катализатора температурном режиме, при больших объемных скоростях и на возможно более чистом газе.
Для поддержания нормального температурного режима (460°С - 530°С) в колонне синтеза пользуются следующими способами: меняют интенсивность циркуляции газа, либо меняют соотношение газовых потоков, направляемых в колонну.
Изменением интенсивности циркуляции газа целесообразно пользоваться до тех пор, пока не будет установлена наиболее выгодная нагрузка агрегата по газу. В дальнейшем нагрузку изменяют только при резких расстройствах технологического режима.
Постоянным приемом регулирования температуры процесса синтеза является изменение соотношений газовых потоков, направляемых в колонну через главный вентиль и холодный байпас (иногда два байпаса, а в колоннах с полочной насадкой — даже четыре). При повышении температуры, наблюдаемом ранее всего на входе газа, открывают вентиль холодного байпаса до тех пор, пока температура не достигнет заданной нормы. Если же при полном открытии этого вентиля температура продолжает возрастать, для поддержания ее в нужных пределах прикрывают главный вентиль, что приводит к увеличению потока газа, идущего через холодный байпас.
При понижении температуры поступают обратным образом. Сначала полностью открывают главный вентиль, затем постепенно прикрывают вентили холодного байпаса. Если эти меры не дают эффекта, приходится уменьшать количество газа, подаваемого в колонну [2].
Управление процессом регулирования температурой в колонне синтеза аммиака производит непосредственно оператор-технолог, т.е. фактически регулирование производится вручную. Для того чтобы автоматизировать данный процесс, необходимо использовать такую систему, которая была способна заменить специалиста-эксперта (в нашем случае, оператора-технолога), т.е. могла самостоятельно принимать решения на основании полученных данных.
Целью данного исследования является изучение принципов регулирования температуры в колонне синтеза аммиака, выбор методов построения системы регулирования, а также ее реализация.
8. Краткое описание полученных результатов
Как было сказано ранее, процесс регулирования во многом завит от действий оператора-технолога, от его профессиональных навыков и опыта. Поэтому для решения задачи реализации автоматического регулирования температурным режимом в колонне синтеза аммиака был выбран аппарат нечеткой логики, ведь он основывается на продукционных правилах, которые, в свою очередь, проектируются на основании экспертных оценок. Продукционные правила нечеткой логики близки по своей структуре со стилем мышления человека, что значительно упрощает управление сложными технологическими объектами.
Системы нечеткого вывода предназначены для преобразования входных переменных процесса в выходные переменные на основе использования нечетких правил продукций. Для этого систем нечеткого вывода должны содержать базу правил нечетких продукций и реализовывать нечеткий вывод заключений на основе посылок или условий, представленных в форме нечетких лингвистических высказываний.
Таким образом, основными этапами нечеткого вывода являются (рис. 2):
- формирование базы правил систем нечеткого вывода;
- фаззификация входных переменных;
- агрегирование подусловий в нечетких правилах продукций;
- активация или композиция подзаключений в нечетких правилах продукций;
- аккумулирование заключений нечетких правил продукций [4].
Рис. 2 Основные этапы нечеткого вывода (количество кадров: 9, количество повторов: 6, длительность кадров: 80мс, размеры: 404х582, 58,2 кб)
Процессы нагревания и охлаждения колонны инерционны, поэтому при синтезе алгоритма управления температурным режимом учитывалась не только температура, но и скорость ее изменения, которые являются входными переменными алгоритма управления.
Для создания нечеткой модели управления температурным режимом колонны синтеза аммиака необходимо создать нечеткие правила, на основании которых температура автоматически будет поддерживаться в оптимальном для протекания реакции интервале. Регулирование температуры в колонне будет производиться за счет изменения соотношения газовых потоков, направляемых на каждую из четырех катализаторных полок колонны через холодные байпасы. На рис. 3 показана модель нечеткого управления температурным режимом в колонне синтеза аммиака.
Рис. 3 Иллюстрация нечеткой модели управления температурным режимом в колонне синтеза аммиака
Входными параметрами для системы управления будут температура на полке колонны (X1), а также скорость изменения данной температуры (X2). Выходной переменной будет угол поворота задвижки холодного байпаса (Y). При этом, значение температуры измеряется в градусах Цельсия, скорость изменения температуры – в градусах Цельсия за секунду, угол поворота задвижки – в угловых градусах. Следует отметить, что поворот задвижки вправо означает положительное направление отсчета, поворот влево – отрицательное.
Значениям температуры (X1) были поставлены в соответствие следующие лингвистические термы:
NB – очень низкая;
NS – низкая;
Z – близкая к норме;
PS – высокая;
PB – очень высокая.
Значению скорости изменения температуры (X2) были поставлены в соответствие следующие лингвистические термы:
NB – очень низкая;
NS – низкая;
Z – близкая к нулю;
PS – высокая;
PB – очень высокая.
Выходной переменной алгоритма – углу поворота задвижки (Y) соответствуют следующие лингвистические термы:
PB – большой положительный;
PM – средний положительный;
PS – малый положительный;
Z – близкий к нулю;
NS – отрицательный малый;
NM – отрицательный средний;
NB – отрицательный большой.
Были сформированы следующие правила регулирования (следует отметить, что данный набор правил не является окончательным и находится в стадии доработки):
R1: ЕСЛИ X1 = PB И X2 = PB, ТО Y = NB;
R2: ЕСЛИ X1 = PB И X2 = PS, ТО Y = NB;
R3: ЕСЛИ X1 = PB И X2 = Z, ТО Y = NM;
R4: ЕСЛИ X1 = PB И X2 = NS, ТО Y = NM;
R5: ЕСЛИ X1 = PB И X2 = NB, ТО Y = NS;
R6: ЕСЛИ X1 = PS И X2 = PB, ТО Y = NM;
R7: ЕСЛИ X1 = PS И X2 = PS, ТО Y = NS;
R8: ЕСЛИ X1 = PS И X2 = Z, ТО Y = NS;
R9: ЕСЛИ X1 = PS И X2 = NS, ТО Y = Z;
R10: ЕСЛИ X1 = PS И X2 = NB, ТО Y = Z;
R11: ЕСЛИ X1 = Z И X2 = Z, ТО Y = Z;
R12: ЕСЛИ X1 = Z И X2 = PB, ТО Y = NS;
R13: ЕСЛИ X1 = Z И X2 = PS, ТО Y = NS;
R14: ЕСЛИ X1 = Z И X2 = NS, ТО Y = PS;
R15: ЕСЛИ X1 = Z И X2 = NB, ТО Y = PS;
R16: ЕСЛИ X1 = NS И X2 = NB, ТО Y = PM;
R17: ЕСЛИ X1 = NS И X2 = NS, ТО Y = PS;
R18: ЕСЛИ X1 = NS И X2 = Z, ТО Y = PS;
R19: ЕСЛИ X1 = NS И X2 = PS, ТО Y = Z;
R20: ЕСЛИ X1 = NS И X2 = PB, ТО Y = Z;
R21: ЕСЛИ X1 = NB И X2 = NB, ТО Y = PB;
R22: ЕСЛИ X1 = NB И X2 = NS, ТО Y = PB;
R23: ЕСЛИ X1 = NB И X2 = Z, ТО Y = PM;
R24: ЕСЛИ X1 = NB И X2 = PS, ТО Y = PM;
R25: ЕСЛИ X1 = NB И X2 = PB, ТО Y = PS.
При решении задач математического моделирования систем с использованием теории нечетких множеств необходимо выполнение большого объема операций над лингвистическими переменными, поэтому для выполнения нечетких операций использовались функции принадлежности стандартного вида – треугольные [4].
На основании приведенных правил нечеткого логического вывода была составлена табл. 1.
Значения функций принадлежности выходной принадлежности – угла поворота задвижки холодного байпаса Y определяется оператором Мамдани.
Конкретное значение управляющего воздействия определяется процедурой дефаззификации методом центра тяжести.
Таблица 1 Правила логического вывода
| Скорость изменения температуры X2 |
Значение температуры X1 | ||||
| NB | NS | Z | PS | PB | |
| NB | PB | PM | PS | Z | NS |
| NS | PB | PS | PS | Z | NM |
| Z | PM | PS | Z | NS | NM |
| PS | PM | Z | NS | NS | NB |
| PB | PS | Z | NS | NM | NB |
Графический вид зависимости выходной переменной (угол поворота задвижки холодного байпаса) от входных значений температуры и скорости изменения температуры представлен на рис. 4. Закономерно, что угол поворота задвижки растет при увеличении температуры и скорости ее приращения (знак «-» в значении угла поворота задвижки означает то, что задвижка движется влево, т.е. при значении -90° задвижка полностью открыта), и наоборот, при уменьшении температуры угол поворота задвижки холодного байпаса уменьшается, т.е. задвижка постепенно закрывается.
Рис. 4 Пространство возможных решений
Заключение
Проведен научный поиск и анализ в области экспертных систем управления температурным режимом в колонне синтеза аммиака. Дальнейшие действия определяются необходимостью разработки математических и алгоритмических моделей функционирования экспертной системы, а также разработку программной архитектуры, пригодной для практической реализации системы.
Список литературы:
1. Кузнецов Л.Д., Дмитренко Л.М., Рабина П.Д., Соколинский Ю.А. Синтез аммиака. М.: Химия, 1982 г.
2. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизации проектирования химических производств. М.: Наука, 1987 г.
3. Прикладные нечеткие системы /Под ред. Тэтано Т., Асаи К., Сугэно М: Мир, 1993.
4. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB, СПб, 2005 г.
5. Масштабируемая система управления Emerson DeltaV [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.geolink.ru/products/partners/emerson/deltav.html
6. Emerson Process Management Краткий каталог технологий, продуктов, услуг [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.emerson.com/en-US/productsservices/process-management/Pages/default.aspx
7. Система Experion PKS фирмы Honeywell. Спецификации и технические данные, 2003 г.
8. Нечеткая логика в системах управления [Электронный ресурс] / Textreferat Раздел: Логика – 2007-01-21 10:32:41 – Электрон. текст. – Режим доступа: http://www.textreferat.com/referat-1314-1.html
9. Алиев Р.А. Управление производством при нечёткой исходной информации, – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 240 с.
10. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств: Пер с франц. – М.: Радио и связь, 1982. – 432 с.
Важное замечание
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.