Реферат на тему випускної роботи
Розробка автоматизованої системи управління процессом синтезу амміаку
Зміст:
3. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
4. Передбачувана наукова новизна
5. Плановані практичні результати
6. Огляд досліджень і розробок по темі
7. Опис процесу регулювання температури в колоні синтезу аміаку
8. Короткий опис отриманих результатів
Вступ
Виробництво аміаку є джерелом отримання продукту, який знаходить використання в багатьох життєво важливих галузях. Синтетичний аміак є сировиною для отримання азотної кислоти, аміачної селітри, мочевини та інших хімічних продуктів, що містять азот, а також використовується у медицині, охолоджувальній техніці, у сільському господарстві в якості добрива.
Показник споживання природного газу є одним з найважливіших факторів, що визначають рентабельність виробництва аміаку. На вироблення 1 тонни аміаку вітчизняні агрегати споживають 1115-1380 м3 природного газу. Найчастіше високе споживання природного газу пов'язане з тим, що більшість вітчизняних агрегатів є застарілими і значно поступаються використовуваним в передових країнах з енерго-та матеріаломісткості та екологічним вимогам. Але в останні роки на більшості підприємств проводяться роботи з реконструкції та модернізації виробництв, в результаті яких витрати природного газу та електроенергії знижується.
1. Мета і завдання
Цілями даної роботи є спрощення процесів регулювання нагрівання і охолоджування в колоні синтезу аміаку, створення більш простою і зрозумілою моделі управління, зниження витрат сировини, необхідного для виробництва одиниці продукції. Для досягнення поставлених цілей необхідно вирішити наступні завдання:
- дослідити принципи функціонування комп'ютерних систем хімічного підприємства;
- проаналізувати існуючі методи управління температурним режимом у колоні синтезу аміаку;
- побудувати нечітку модель управління температурним режимом;
- розробити інструментальні засоби для реалізації нечіткої моделі управління.
2. Актуальність
Застосування нечіткої логіки в технологічних процесах - це галузь знань, яка останнім часом досить активно розвивається. Нечітка логіка оперує нечіткими лінгвістичними висловлюваннями замість величезної кількості математичних формул і чисел, що значно покращує розуміння технологічних процесів, а також знижує складність у керуванні великими промисловими об'єктами, адже методи, які закладені в управління синтезом аміаку, побудовані на складних математичних обчисленнях, тому вони часто складні для розуміння людини. Застосування нечіткої логіки в управлінні температурним режимом у колоні синтезу повинно спростити регулювання процесів нагрівання та охолодження, зробити модель управління більше простою і зрозумілою, а також знизити витрату сировини, необхідний на виробництво продукції.
3. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дана робота виконувалася впродовж 2010-2011 рр.. у відповідності з науковими напрямками кафедри Автоматизованих систем управління Донецького національного технічного університету.
4. Передбачувана наукова новизна
Наукова новизна даної роботи полягає в розробці нечіткої автоматизованої системи для управління температурним режимом у колоні синтезу аміаку.
5. Плановані практичні результати
Результатом виконання магістерської роботи повинна бути розроблена експертна система, заснована на продукційних нечітких правилах для регулювання температурного режиму в колоні синтезу аміаку.
6. Огляд досліджень і розробок по темі
В даний час існує досить багато підприємств, які займаються питаннями автоматизації технологічних процесів, зокрема, процесів синтезу аміаку. Серед найбільш відомих можна назвати такі іноземні підприємства як Siemens, Emerson, Honeywell.
Хотілося б виділити наступні системи автоматичного управління процесом синтезу аміаку:
- система DeltaV компанії Emerson;
- система Experion PKS компанії Honeywell;
- система SIMATIC компанії Siemens.
Слід зазначити, що перераховані системи (як і багато інших сучасних системи) є надійними, безвідмовними, гнучкими і масштабованими, завдяки чому знижується як початкова вартість системи, так і витрати на її супровід і модернізацію. Дані системи дають величезні можливості для безпечного управління, і оптимізації процесу синтезу аміаку.
Недоліком даних систем є використання в них стандартного ПІД-регулювання. ПІД-регулятори працюють на підставі закладених в них формул і уставок, вони не здатні до навчання, тому вони гірше відпрацьовують обурення в системі, ніж, приміром, нечіткий регулятор.
7. Опис процесу регулювання температури в колоні синтезу аміаку
На етапі синтезу аміак виходить внаслідок хімічних реакцій синтез-газу в колоні синтезу. На рис. 1 показана чотирьохполочна колона з аксіальним насадками. Основний потік газу надходить в колону знизу, проходить по кільцевій щілини між корпусом колони 15 і кожухом каталізаторної коробки 3 та надходить у міжтрубний простір теплообмінника 6. Тут синтез-газ нагрівається конвертованим газом до 420 - 440 ° С і проходить послідовно чотири шару каталізатора 8, 10, 12, 14, між якими подається холодний байпасний газ.
Після четвертого шару каталізатора газова суміш при 500-515 ° С піднімається по центральній трубі 2, проходить по трубках теплообмінника 6, охолоджуючись при цьому до 320-350 ° С, і виходить з колони [1].
Синтез аміаку ведуть при дуже високих тисках (30-33 МПа), щоб змістити рівновагу в бік утворення аміаку. Температура при цьому повинна бути не менше 460 ° С (при більш низьких температурах процес перестає бути стійким) і не більше 530 ° С (щоб уникнути перегріву каталізатора).
Рис. 1 Чотирьохполочна колона синтезу аміаку потужністю 1360 т / добу 1 - люк для вивантаження каталізатора; 2 - центральна труба; 3 - корпус каталізаторної коробки; 4 - термопарний чохол; 5 - завантажувальний люк, 6 - теплообмін нік; 7, 9, 11, 13 - введення байпасного газу; 8, 10, 12, 14 - каталізаторние шари; 15 - корпус колони.
Для досягнення більш високої продуктивності процесу синтезу необхідно проводити процес при високому тиску і оптимальному для каталізатора температурному режимі, при великих об'ємних швидкостях і на якомога більш чистому газі.
Для підтримки нормального температурного режиму (460 ° С - 530 ° С) в колоні синтезу користуються такими способами: змінюють інтенсивність циркуляції газу, або змінюють співвідношення газових потоків, що направляються в колону.
Зміною інтенсивності циркуляції газу доцільно користуватися до тих пір, поки не буде встановлена найбільш вигідне навантаження агрегату по газу. Надалі навантаження змінюють тільки при різких розладах технологічного режиму.
Постійним прийомом регулювання температури процесу синтезу є зміна співвідношень газових потоків, що направляються в колону через головний вентиль і холодний байпас (іноді два байпаса, а в колонах з поличною насадкою - навіть чотири). При підвищенні температури, що спостерігається раніше всього на вході газу, відкривають вентиль холодного байпаса до тих пір, поки температура не досягне заданої норми. Якщо ж при повному відкритті цього вентиля температура продовжує зростати, для підтримки її в потрібних межах прикривають головний вентиль, що призводить до збільшення потоку газу, що йде через холодний байпас.
При зниженні температури роблять зворотним чином. Спочатку повністю відкривають головний вентиль, потім поступово прикривають вентилі холодного байпаса. Якщо ці заходи не дають ефекту, доводиться зменшувати кількість газу, що подається в колону [2].
Управляє процесом регулювання температурою в колоні синтезу аміаку безпосередньо оператор-технолог, тобто фактично регулювання здійснюється вручну. Для того щоб автоматизувати даний процес, необхідно використовувати таку систему, яка була б здатна замінити фахівця-експерта (у нашому випадку, оператора-технолога), тобто могла самостійно приймати рішення на підставі отриманих даних.
Метою даного дослідження є вивчення принципів регулювання температури в колоні синтезу аміаку, вибір методів побудови системи регулювання, а також її реалізація.
8. Короткий опис отриманих результатів
Як було сказано раніше, процес регулювання багато в чому залежить від дій оператора-технолога, від його професійних навичок і досвіду. Тому для вирішення завдання реалізації автоматичного регулювання температурним режимом у колоні синтезу аміаку був обраний апарат нечіткої логіки, адже він грунтується на продукційних правилах, які, у свою чергу, проектуються на підставі експертних оцінок. Продукційні правила нечіткої логіки близькі за своєю структурою зі стилем мислення людини, що значно спрощує управління складними технологічними об'єктами.
Системи нечіткого виводу призначені для перетворення вхідних змінних процесу у вихідні змінні на основі використання нечітких правил продукцій. Для цього систем нечіткого виводу повинні містити базу правил нечітких продукцій і реалізовувати нечіткий вивід висновків на основі посилань або умов, представлених у формі нечітких лінгвістичних висловлювань.
Таким чином, основними етапами нечіткого виводу є (рис. 2):
- формування бази правил систем нечіткого виводу;
- фаззификація вхідних змінних;
- агрегування підумов в нечітких правилах продукцій;
- активація або композиція підвисновків в нечітких правилах продукцій;
- акумулювання висновків нечітких правил продукцій [4].
Рис. 2 Основні етапи нечіткого виводу (кількість кадрів: 9, кількість повторів: 6, тривалість кадрів: 80мс, розміри: 404х582, 58,2 кб)
Процеси нагрівання і охолодження колони інерційні, тому при синтезі алгоритму управління температурним режимом враховувалася не тільки температура, але і швидкість її зміни, які є вхідними змінними алгоритму управління.
Для створення нечіткої моделі управління температурним режимом колони синтезу аміаку необхідно створити нечіткі правила, на підставі яких температура автоматично буде підтримуватися в оптимальному для протікання реакції інтервалі. Регулювання температури в колоні буде проводитися за рахунок зміни співвідношення газових потоків, що направляються на кожну з чотирьох каталізаторних полиць колони через холодні байпаси. На рис. 3 показана модель нечіткого управління температурним режимом у колоні синтезу аміаку.
Рис. 3 Ілюстрація нечіткої моделі управління температурним режимом у колоні синтезу аміаку
Вхідними параметрами для системи управління будуть температура на полиці колони (X1), а також швидкість зміни даної температури (X2). Вихідної змінної буде кут повороту засувки холодного байпаса (Y). При цьому, значення температури вимірюється в градусах Цельсія, швидкість зміни температури - в градусах Цельсія за секунду, кут повороту засувки - в кутових градусах. Слід зазначити, що поворот засувки праворуч означає позитивний напрямок відліку, поворот ліворуч - негативне.
Значенням температури (X1) були поставлені у відповідність наступні лінгвістичні терми:
NB – дуже низька;
NS – низька;
Z – близька до норми;
PS – висока;
PB – дуже висока.
Значенням швидкості зміни температури (X2) були поставлені у відповідність наступні лінгвістичні терми:
NB – дуже низька;
NS – низька;
Z – близька до нуля;
PS – висока;
PB – дуже висока.
Вихідній змінній алгоритму - куту повороту засувки (Y) відповідають такі лінгвістичні терми:
PB – великий позитивний;
PM – середній позитивний;
PS – малий позитивний;
Z – близький до нуля;
NS – негативний малий;
NM – негативний середній;
NB – негативний великий.
Були сформовані такі правила регулювання (слід зазначити, що даний набір правил не є остаточним і знаходиться в стадії допрацювання):
R1: ЯКЩО X1 = PB И X2 = PB, ТО Y = NB;
R2: ЯКЩО X1 = PB И X2 = PS, ТО Y = NB;
R3: ЯКЩО X1 = PB И X2 = Z, ТО Y = NM;
R4: ЯКЩО X1 = PB И X2 = NS, ТО Y = NM;
R5: ЯКЩО X1 = PB И X2 = NB, ТО Y = NS;
R6: ЯКЩО X1 = PS И X2 = PB, ТО Y = NM;
R7: ЯКЩО X1 = PS И X2 = PS, ТО Y = NS;
R8: ЯКЩО X1 = PS И X2 = Z, ТО Y = NS;
R9: ЯКЩО X1 = PS И X2 = NS, ТО Y = Z;
R10: ЯКЩО X1 = PS И X2 = NB, ТО Y = Z;
R11: ЯКЩО X1 = Z И X2 = Z, ТО Y = Z;
R12: ЯКЩО X1 = Z И X2 = PB, ТО Y = NS;
R13: ЯКЩО X1 = Z И X2 = PS, ТО Y = NS;
R14: ЯКЩО X1 = Z И X2 = NS, ТО Y = PS;
R15: ЯКЩО X1 = Z И X2 = NB, ТО Y = PS;
R16: ЯКЩО X1 = NS И X2 = NB, ТО Y = PM;
R17: ЯКЩО X1 = NS И X2 = NS, ТО Y = PS;
R18: ЯКЩО X1 = NS И X2 = Z, ТО Y = PS;
R19: ЯКЩО X1 = NS И X2 = PS, ТО Y = Z;
R20: ЯКЩО X1 = NS И X2 = PB, ТО Y = Z;
R21: ЯКЩО X1 = NB И X2 = NB, ТО Y = PB;
R22: ЯКЩО X1 = NB И X2 = NS, ТО Y = PB;
R23: ЯКЩО X1 = NB И X2 = Z, ТО Y = PM;
R24: ЯКЩО X1 = NB И X2 = PS, ТО Y = PM;
R25: ЯКЩО X1 = NB И X2 = PB, ТО Y = PS.
При вирішенні задач математичного моделювання систем з використанням теорії нечітких множин необхідно виконання великого обсягу операцій над лінгвістичними змінними, тому для виконання нечітких операцій використовувались функції приналежності стандартного виду - трикутні [4].
На підставі наведених правил нечіткого логічного виводу була складена табл. 1.
Значення функцій належності вихідний приналежності - кута повороту засувки холодного байпаса Y визначається оператором Мамдані.
Конкретне значення керуючого впливу визначається процедурою дефаззіфікації методом центру ваги.
Таблиця 1 Правила логічного виводу
| Швидкість зміни температури X2 |
Значення температури 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 |
Графічний вид залежності вихідної змінної (кут повороту засувки холодного байпаса) від вхідних значень температури і швидкості зміни температури представлений на рис. 4. Закономірно, що кут повороту засувки зростає при збільшенні температури і швидкості її збільшення (знак «- » в значенні кута повороту засувки означає те, що засувка рухається ліворуч, тобто при значенні -90 ° засувка повністю відкрита), і навпаки, при зменшенні температури кут повороту засувки холодного байпаса зменшується, тобто засувка поступово закривається.
Рис. 3 Простір можливих рішень
Висновок
Проведено науковий пошук та аналіз в області експертних систем управління температурним режимом у колоні синтезу аміаку. Подальші дії визначаються необхідністю розробки математичних і алгоритмічних моделей функціонування експертної системи, а також розробку програмної архітектури, придатної для практичної реалізації системи.
Список літератури:
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.
Важливе зауваження
При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: грудень 2011 Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.