Автоматические регуляторы технологические объекты управления (тоу). Классификация тоу, их особенности. Автоматические регуляторы. Закон регулирования. Качество переходных процессов.

Технологические объекты управления (ТОУ)

Технологический объект управления (ТОУ) — это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по со­ответствующим регламентам (режимам) технологического про­цесса. К ТОУ относятся как отдельные технологические агрега­ты и установки, реализующие локальный технологический про­цесс (например, полимеризационная батарея в производстве СК, реактор пиролиза в производстве ацетилена, трубчатые печи на нефтехимических заводах и резиносмесители — на шинных), так и целые производства (цехи, участки) промышленно­го предприятия (если управление производством носит техноло­гический характер, т.е. заключается в поиске и реализации ра­циональных технологических режимов взаимосвязанных устано­вок; к таким ТОУ можно отнести, в частности, производства этилена, серной кислоты, технического углерода). Существуют и супер-ТОУ, например установки ЛК-6У на нефтеперерабатывающих заводах, включающие сотни технологических аппара­тов.

Основными направлениями развития современной химичес­кой технологии являются существенное увеличение единичной мощности технологических установок с комбинированием и сов­мещением нескольких процессов в одном технологическом бло­ке и проведение процессов в режимах, близких к критиче­ским.

Многие современные установки в производстве серной кис­лоты, аммофоса, полимеров, синтетических волокон, аммиака, этилена, большая часть установок первичной и вторичной пере­гонки нефти по мощности соответствуют целому заводу 1960 — 70 гг. Выход из строя такой установки даже на короткий пе­риод при нарушении в ней технологического режима приводит к огромным экономическим потерям.

Отметим, что требования к жесткому соблюдению техноло­гического режима объясняются не только масштабностью и сложностью установок, но и необходимостью получения высоко­качественной продукции.

Таким образом, в современных установках, с одной стороны, должен строго выдерживаться технологический режим; с дру­гой стороны, чем крупнее и сложнее установки, тем сильнее они подвержены различного рода возмущениям, приводящим к нарушению режима. Следует отметить и сложности, возникаю­щие при пуске и останове установки, при переводе ее в другие режимы — как запланированном (при переходе на выпуск дру­гой целевой продукции), так и связанном с возникновением критических и аварийных ситуаций.

Под управлением будем понимать совокупность действий, выбранных на основании определенной информации и направ­ленных на поддержание или улучшение функционирования объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления.

ТОУ (будь то локальная технологическая установка или це­лый производственный комплекс) должен удовлетворять следу­ющим требованиям.

Оборудование ТОУ должно быть полностью механизировано и безотказно работать в установленный межремонтный период. Очень важно, чтобы оно было по возможности непрерывнодействующим.

Технологическая схема ТОУ должна быть составлена таким образом, чтобы он был управляем, т. е. разбит на определен­ные зоны с возможностью воздействия на технологический ре­жим в каждой из них изменением материальных и энергетиче­ских потоков; чтобы была возможность воздействия на харак­теристики оборудования; чтобы был обеспечен доступ человека к местам установки датчиков, запорных и регулирующих орга­нов; чтобы число возмущающих воздействий, поступающих в основные аппараты схемы, технологический режим в которых обусловливает количество и качество выпускаемых целевых продуктов, было сведено к минимуму. Последнее обеспечива­ется установкой между основными аппаратами дополнитель­ных — ресиверов, емкостей с мешалками, теплообменников, — уменьшающих амплитуду и частоту изменения таких парамет­ров, как давление, состав, температура.

Только при выполнении этих условий системы управления могут повысить эффективность ТОУ: увеличить его производи­тельность, улучшить качественные показатели целевой продук­ции или уменьшить ее себестоимость за счет сокращения рас­хода сырья и энергии на единицу продукции.

Технологические процессы химической технологии характе­ризуются большим числом разнообразных параметров. Часть из них — входные параметры — дают представление о материаль­ных и энергетических потоках на входе в технологический ап­парат (расход сырья, давление греющего пара и т. д.). Их из­менения приводят к изменениям режимных параметров, харак­теризующих условия протекания процесса внутри аппарата (температура, уровень жидкости, составы продуктов).

Значения режимных параметров непосредственно влияют на выходные параметры, характеризующие выходные потоки. К выходным параметрам можно отнести и сводные экономиче­ские показатели процесса, например себестоимость или затраты на производство конечной продукции. Естественно, что требова­ние к поддержанию режимных и особенно выходных парамет­ров в заданном диапазоне является обязательным условием проведения технологического процесса.

Единовременную совокупность значений всех параметров называют технологическим режимом, а совокупность значений параметров, обеспечивающую решение задачи, поставленной при управлении процессом, — нормальным технологическим ре­жимом. Нормальный технологический режим задают и оформ­ляют в виде технологической карты. В ней приводят перечень параметров, значения которых необходимо поддерживать на определенном уровне, а также указывают допустимые диапазоны их изменения.

Сложность управления современными ТОУ заключается в том, что они постоянно подвергаются возмущающим воздейст­виям (возмущениям), нарушающим технологический режим. Возмущения условно можно разбить на два вида.

Внешние возмущения проникают в ТОУ извне при измене­нии всех входных и некоторых выходных параметров, а также параметров окружающей среды. Так, изменение давления гре­ющего пара существенно нарушит теплообмен в нагревателе, а значит и температуру продукта на его выходе; изменение рас­хода кубового остатка повлияет на уровень в ректификацион­ной колонне и т. д.

Внутренние возмущения возникают в самом объекте управ­ления при изменении характеристик технологического оборудо­вания. К ним можно отнести, например, изменение активности катализатора, отключения отдельных аппаратов, загрязнение и коррозию внутренних поверхностей аппаратов, перераспределе­ние насадки в колоннах насадочного типа и т. д.

Управление технологическим объектом заключается во вне­сении таких управляющих воздействий, которые компенсируют возмущения и тем самым обеспечивают достижение цели функ­ционирования ТОУ в сложных производственных условиях.

Классификация ТОУ, их особенности

Предприятия химической технологии включают множество разнообразных аппаратов, установок, участков, цехов и произ­водств. С точки зрения автоматизации и управления важно разделить их по типу и характеру технологического процесса, проводимого в аппаратах, по сложности ТОУ, а также по ха­рактеру параметров, участвующих в управлении.

Классификация по типу технологического процесса. В ТОУ химической промышленности протекают различного рода про­цессы, которые классифицируют следующим образом:

Класс процесса	Тип процесса
Гидромеханичес-кие	Перемещение жидкостей и газов, разделение неоднородных систем, перемешивание, очистка га­зов
Тепловые	Нагревание, охлаждение, выпаривание, кристал­лизация
Массообменные	Ректификация, абсорбция, адсорбция, сушка, экстракция
Механические	Измельчение, дозирование, классификация, пере­мещение твердых материалов
Химические	Окисление, восстановление, синтез, разложение солей, образование гидрооксидов, нейтрализация, дегидратация, электролиз, нитрование, сульфиро­вание, щелочное плавление, алкилирование, поли­меризация, омыление, гидрогенизация, переэтерификация, ароматизация, изомеризация, крекинг и др.

Технологические процессы одного типа могут отличаться аппаратурным оформлением и свойствами перерабатываемых веществ, однако все они протекают по одним и тем же законам и характеризуются аналогичными зависимостями между пара­метрами. Это дает возможность разработать типовое решение по их автоматизации, которое с незначительными изменениями, вызванными особенностями ТОУ, может быть применено для всех процессов данного типа.

Во многих ТОУ проводятся процессы, подчиняющиеся не­скольким законам. Например, технологический процесс в рек­тификационной колонне подчиняется законам гидродинамики (так как происходит перемещение потоков), тепло- и массопередачи (между потоками жидкости и пара постоянно осуществ­ляется тепло- и массообмен). Естественно, что управлять таким процессом значительно сложнее.

Классификация по характеру технологического процесса. Характер технологического процесса определяется по времен­ным режимам работы технологического оборудования. Большая часть объектов управления химической технологии (нефтепере­рабатывающие установки, производства синтетического каучука и кислот и многие другие) относится к ТОУ с непрерывным ха­рактером производства. Сырье и реагенты в такие ТОУ поступают практически безостановочно, а технологический режим после пуска ТОУ устанавливается неизменным на длитель­ные сроки (неделя, месяц, квартал, год).

В ТОУ с периодическим (дискретным) характером произ­водства, которые преобладают на шинных, резино- и асбестотехнических заводах, длительность технологических операций незначительна (минуты, часы); в одном и том же аппарате часто проводят разные технологические процессы с изменением во времени заданных значений параметров. Автоматизация пе­риодических процессов существенно осложнена необходимостью перестройки работы аппаратов, заключающейся в изменении технологических режимов, а также маршрутов материальных и энергетических потоков.

Часть производств, например некоторые производства синте­тических волокон, удобрений, включают как непрерывные, так и дискретные технологические процессы.

Классификация по информационной емкости. Степень слож­ности ТОУ характеризуется информационной емкостью объек­та, т. е. числом технологических параметров, участвующих в управлении. Ниже приведена классификация по этому призна­ку:

Информационная емкость объекта	Число технологических параметров, участвующих в управлении	Пример ТОУ
Минимальная	10—40	Насосная, резиносмеситель
Малая	41-160	Массообменная колонна
Средняя	161-650	Установка первичной переработки нефти
Повышенная	651-2500	Производство этилена
Высокая	2500 и выше	Установки ЛК-6У, КТ-1, производство технического углерода

Большая часть ТОУ химической технологии относится к объектам с числом параметров до 1000.

Классификация по характеру параметров управления. По этому признаку ТОУ делятся на объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами. К первым относятся ТОУ, регулируемые параметры которых (уровень жидкости, давле­ние, температура) имеют одно числовое значение в разных точках в данный момент времени. Это простейшие объекты — ем­кость, испаритель, насос, компрессор.

Большая часть объектов химической технологии относится к объектам с распределенными параметрами, значения которых неодинаковы в различных точках объекта в данный момент времени. Так, в ректификационной колонне температура раз­лична по высоте колонны; в реакторе состав веществ неодина­ков по объему.

Автоматические регуляторы. Закон регулирования

Качественной оценкой работы САУ является показатель эффектив­ности (ПЭ), например, соответствие физико-химических свойств конечного продукта технологического процесса заданным. Поддержание требуемого значения ПЭ является целью управления.

Рисунок 46 – Структурная схема САР:

ОР — объект регулирования; РУ — регулирующее устройство;

Д — датчик; ИУ — исполнительное устройство

Частный случай САУ — система автоматического регулирования (САР), где управление объектом осуществляется автоматическим регу­лятором. Если автоматическое управление на высоком уровне предпола­гает наличие сложных взаимосвязей между объектом управления (напри­мер, крупным технологическим комплексом) и управляющей системой, то перед САР ставятся более узкие задачи, простейшей из которых являет­ся стабилизация параметров технологического процесса. Эти параметры называются регулируемыми (РП). Структурная схема такой САР приведена на рисунке 46 Она состоит из объекта регулирования и автоматического регулятора. Типичным приме­ром объекта является технологический аппарат, трубопровод и т. д., а РП — температура, давление, уровень, состав и другие. Остальные звенья САР: датчик Д, регулирующее РУ и исполнительное ИУ устройства конструктивно могут быть объединены или находиться на значительном расстоянии одно от другого и соединяться линиями связи. Однако функцио­нально они связаны общей задачей управления объектом, что дает право считать их звеньями автоматического регулятора.

Основной задачей регулятора является поддержание РП на заданном значении (стабилизация) или изменение его по определенному закону. Через датчик сигналы о текущем значении РП поступают на РУ и срав­ниваются в нем с заданным значением, которое устанавливается задатчиком. В стабилизирующих САР при нормальном ходе процесса текущее значение РП равно заданному. Такое состояние САР называется равно­весным. Оно может быть нарушено в результате проникновения в систему возмущающих воздействий, вследствие чего текущее значение РП откло­нится от заданного. РУ отреагирует на это и с учетом знака, значения (а в некоторых случаях и скорости) отклонения РП выработает командный сигнал, который через ИУ окажет на объект регулирующее воз­действие. Как правило, оно наносится изменением притока (или расхода) вещества или энергии на входе в объект или на выходе из него. Регулятор будет воздействовать на объект, пока в САР не восстановится равновесие.

Рисунок 47 – Графики переходных процессов в САР:

Рисунок 48 – Незатухающий (автоколебательный) процесс

1 - апериодический; 2 - колебательный

Процесс регулирования (переходный процесс) может протекать во времени по-разному. Для его оценки принят ряд показателей качества. Основными из них являются величина наибольшего отклонения РП (динамическая ошибка) и время регулирования. В апериодическом (т.е. неколебательном) процессе (кривая 1 на рисунке 47) РП отклоняется от заданного значения один раз на величину ∆J 1 max и возвращается к нему через время регулирования t_п1. В колебательном (кривая 2) РП, вернув­шись к заданному значению, отклоняется от него с противоположным знаком (явление перерегулирования). Этот процесс может повториться несколько раз, после чего в САР восстановится равновесие.

Из сравнения этих кривых видно, что в апериодическом процессе наибольшее отклонение РП больше, чем в колебательном, а время регули­рования — меньше. Очевидно, регулирование тем качественнее, чем мень­ше обе эти величины. Получить тот или другой процесс регулирования можно соответствующей настройкой регулятора, исходя из требований технологического процесса: если, например, большие отклонения РП недопустимы, принимают колебательный процесс. Процессы, подобные рассмотренным, называются затухающими и сходящимися, так как после их окончания в САР восстанавливается равновесие.

Рисунок 49 Расходящиеся переходные процессы: 1 — колебательный; 2 — монотонный

Свойство САР самостоятельно возвращаться в состояние равновесия, из которого она была выведена возмущающим воздействием, называется устойчивостью. Устойчивость — основное требование, предъявляемое к САР. Поведение ее в переходном процессе обусловлено различными факторами: например, регулирующее воздействие, оказанное с опозда­нием, не только не будет стабилизирующим, но, напротив, может стать причиной еще большего отклонения РП. САР, в которой установились незатухающие колебания с постоянной амплитудой (рисунок 48) считается находящейся на границе устойчивости (нейтральная САР). Система теряет устойчивость, если регули­рующее воздействие совпадает по фазе (или по знаку) с возмущающим и амплитуда колебаний РП постоянно увеличивается (кривая 1 на рисунке 48).

Такой переходный процесс называется расходящимся, его развитие может привести к возникновению аварийной ситуации. В этом случае регулятор необходимо отключить от объекта и стабилизировать процесс вручную. Неустойчивой является САР и с монотонно расходящимся про­цессом (кривая 2). Современные методы исследования (в частности, моделирование) позволяют определить характер переходных процессов в САР еще на стадии разработки, в том числе получить ответ на вопрос об их устойчивости, используя для этого так называемые критерии устойчивости, изучаемые в теории автоматического регулирования.

Качество переходных процессов

Если текущее значение регулируемого параметра равно заданно­му, то считается, что система находится в состоянии равнове­сия.

Если под действием какого-либо возмущения в системе возникло отклонение регулируемого параметра, то ей необходимо некоторое время, чтобы снова прийти в состояние равновесия. Считается, что в течение этого времени система находится в переходном режиме.

Поведение системы в переходном режиме принято изображать в виде графика переходного процесса — зависимости изме­нения во времени выходной величины (регулируемого параметра) системы (рисунок 50 а). Текущее значение регулируемого параметра на графике обозначено через х_вых, и его изменение показано сплошной линией. Так как мы рассматриваем систему стабилизации, то заданное значение х_выхо остается постоянным, чему соответствует пунк­тирная линия, параллельная оси времени. Совпадение кривых теку­щего и заданного значений на отрезке времени 0—t₁ свидетельствует о том, что в этот период система находится в состоянии равновесия. В момент времени t₁ под действием возмущения система отклоняется от состояния равновесия и вновь к нему возвращается под дейст­вием регулятора к моменту времени t₂.

В период времени t₁ - t₂ система находится в переходном режи­ме, а после t₂ - снова в состоянии равновесия.

При исследовании систем принято их рассматривать, начиная от момента появления отклонения регулируемого параметра. В этом случае начало координат соответствует заданному значению регули­руемого параметра (рисунок 50 б).

Однако переходный процесс может иметь другой характер (рисунок 50 в). Сравнивая два графика переходного процесса (рисунок 50 б, в), можно увидеть, что в одном случае система возвра­щается к состоянию равновесия, а в другом этого не происходит. Считают, что в первом случае система устойчива, а во втором — неустойчива. Так как назначением CAP является поддержание регулируемого параметра на заданном значении, то естественно по­требовать, чтобы она обеспечивала переходный процесс в соответст­вии с графиком, приведенным на рисунке 50 б, т. е. была бы устойчи­вой.

Рисунок 50 – Графики переходных процессов в САР

Вместе с тем и в устойчивых САР переходный процесс может протекать различно (рисунок 50 г). При этом вводится понятие каче­ства переходного процесса, которое характеризуется рядом пока­зателей. Одним из них является, например, время переходного про­цесса t_р. Естественно, чем меньше это время, тем выше качество САР. Численное значение показателя качества, которое должна обес­печить САР, выбирается исходя из технологических соображений. Таким образом, к системе автоматического регулирования предъяв­ляются два требования: система обязательно должна быть устой­чивой и обладать определенными заданным качеством.