книги из ГПНТБ / Проблемы теории и практики исследований в области катализа

Г Л А В А У. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИШАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Общие положения

Современные электронно-вычислительные машины (ЭВМ) широко применяются для исследования технологических процессов с целью их оптимизации. Наряду с металлургическим производством хими­ ческая и нефтеперерабатывающая отрасли промышленности стали пер­ вым объектом широкого внедрения вычислительное техники. Это выз­ вано тем обстоятельством, что технологические процессы в химии являются, как правило, сложными, многостадийными, многофазными, многокомпонентными и проходят в широком диапазоне изменения тем­ ператур, давлений и расходов, что требует совершенной техники для управления. Кроме того, процессы в области химической тех­ нологии недостаточно изучены в производственнвх условиях, а с . помощью ЭВМ могут быть получены их приближенные математические описания, необходимые для организации эффективного управления.

При необходимости введения поправок в ход процесса матема­ тические вычисления и оперативный анализ получаемых результатов может быть осуществлен ЭВМ. Особенно это имеет смысл в том слу­ чае, когда необходимо анализировать влияние различных факторов и выбирать оптимальные режимы для получения стабильного и наи­ лучшего качества.

Получая в ходе технологического процесса от автоматических приборов, датчиков и анализаторов информацию о температуре, дав­ лении, составе и других параметрах, ЭВМ о большой скоростью вы­ полняют все необходимые для выбора режима математические расче­ ты и посылают в исполнительные механизмы управляющие сигналы, изменяющие ход процесса в необходимую сторону, или выдают соот­ ветствующие рекомендации технологическому персоналу.

341

Указанные функции выполняются автоматизированными система­ ми управления технологическими процессами, включающими электрон­ ные вычислительные машины, снабженные необходимыми системами математического обеспечения, устройства связи машин с объектами управления и технологические датчики, фиксирующие параметры про­ цесса.

В зависимости от задач, решаемых автоматизированными систе­ мами -управления, они могут быть подразделены на следующие груп­ пы:

1 . Информационные системы, производящие автоматический сбор

ипредварительную обработку технологической информации и выдачу данных технологическому персоналу для последующего анализа. Эти данные могут выдаваться с помощью средств визуальной индикации или с использованием цифропечатающих устройств.

Предварительная обработка может заключаться в усреднении

истатистическом анализе показаний технологических датчиков, в накапливании, сортировке и запоминании информации о качествен­ ном и количественном составе сырья и полуфабрикатов, а также о других условиях протекания процесса.

2. Системы, обеспечивающие активную обработку технологи­ ческих материалов по математическим описаниям объектов с целью выбора оптимального сочетания параметров технологических режи­ мов, которые могут быть подвергнуты корректировке со стороны оператора. Выдача советов может производиться при помощи свето­ вых табло или цифропечатающих устройств. В этом случае, кроме выдачи оператору информации о состоянии процесса, вычислительная машина выполняет программный выбор оптимального режима. В задачу оператора входит только реализация выбранного решения. Предвари­ тельный анализ оператором выработанных рекомендаций исключает возможность, нарушения технологического процесса при отказах или сбоях ЭВМ. Осуществление рекомендаций выполняется оператором вручную или при помощи имеющихся в системе локальных устройств регулирования путем реализации уставок, рекомендованных ЭВМ.

3. Применяется также непосредственная автоматическая пере­ дача уставок от-ЭВМ на локальные регулирующие системы.В этом случае управление происходит по замкнутой схеме, а оператор осуществляет лишь контроль и вмешивается только при возникнове­ нии непредвиденных обстоятельств, угрожающих нормальному ходу

342

технологического процесса. Замкнутых автоматизированных систем управления, включающих вычислительные машины, в мировой техно­ логической практике еще мало, что объясняется их дороговизной, связанной с необходимостью резервирования для повышения надеж­ ности.

4. Известны попытки применения дискретных вычислительных систем для осуществления всех функций автоматического регулиро­

чиками на различных фазах процесса, вызвало изменение входных данных в ЭВМ, что в свою очередь влечет за собой изменение управ­ ляющих сигналов в сторону возвращения хода процесса в оптималь­ ное русло. В этом случае устройство должно работать в натураль­ ном масштабе времени и требует особо высокой надежности.

Возможность применения машины в том или другом режиме зави­ сит от скорости протекания процессов, необходимой точности вы­ числений, количества обрабатываемой информации, разрешающей спо­ собности и надежности датчиков и самой машины, критичности систе­ мы к внезапному отказу звеньев управления и сигнализации, в о з ­ можности дублирования и т.д.

В большинстве случаев машины решают квазистационарную за­ дачу, реагируя на средние значения параметров. Получение этих значений на основании измеренных технологических параметров - задача самой машины.

Можно выделить ряд условий, при которых установка ЭВМ перс­ пективна :

При высокой стоимости сырья и выходного продукта, когда малейшее уменьшение потерь за счет стабилизации и сокращения времени цикла может дать большой экономически:! эффект;

при крупнотоннажном производстве, когда увеличение произво­ дительности даже на I - 3% дает значительный эффект;

в сложных процессах, когда достижение теоретического опти­ мума при ручной регулировке практически невозможно;

при неизбежных значительных колебаниях качества сырья,, если необходимо сохранить стабильное качество выходного продукта;

в'случаях, когда ЭВМ обеспечивает путем статистической об­ работки большую достоверность показаний технологических датчи­ ков и, таким образом, дает возможность технологам правильно конт­ ролировать процесс;

343

если ЭВМ применяется для выяснения характера совместного действия большого количества факторов, влияющих на ход процесса когда необходимо проведение значительного объема вычислений для определения корреляционных связей.

В каждом конкретном случае применения ЭВМ необходим предва рительный анализ экономической эффективности и оценка ожидаемо­ го срока ее окупаемости.

Реализация автоматического управления технологией с приме­ нением вычислительных машин представляет известные трудности, заключающиеся в следующем:

1 . Отсутствие достоверных математических описаний большин­ ства процессов в области химической технологии.

2. Недостаточно полный комплект технологических датчиков. В ряде случаев такие датчики еще не разработаны и контроль про­ цесса осуществляется органолептически (например, контроль фазы вспенивания при производстве алкидных смол).

3. Низкая разрешающая способность существующих датчиков, не позволяющая в некоторых случаях вести процесс с требуемой точностью.

4. Недостаточная надежность сложных вычислительных комплек сов, не позволяющая полностью поручать им управление ответствен ными технологическими участками.

5. Отсутствие подготовленного квалифицированного персонала для обеспечения правильной эксплуатации вычислительной техники.

Однако, несмотря на ряд технических трудностей, как показы вает опыт, с каждым годом растет внедрение вычислительных машин в химическую и другие отрасли промышленности, за рубежом и в

СССР совершенствуются методы оптимизации и автоматизации хими­ ческих процессов.

Увеличение количества и улучшение качества промышленной продукции монет быть достигнуто путем разработки новых техноло­ гических решений, либо оптимизацией существующих.

Любой сложный технологический процесс, даже если он запро­ ектирован наилучшим образом, подвергается случайным возмущениям вызывающим отклонения результатов в количественном или качест­ венном отношении. Эти возмущения определяют недостаточную ста­ бильность процесса.

Локальные регулирующие системы обычно выполняют функции стабилизации параметров при изменении нагрузок или при других

344

возмущениях и реагируют в большинстве случаев только на измене­ ние одного и, редко,двух параметров, в то время, как сложные тех­ нологические системы являются многофакторными, и от управляющих систем требуется учитывать влияние многих факториальных призна­ ков.

Под оптимизацией сложного многофакторного технологического процесса понимается такое его ведение, когда при возникновении низкочастотных (редкях) возмущений параметры процесса выбираются такими, чтобы было обеспечено наилучшее среднее значение опреде­ ляющего критерия (количество или качество выпускаемой продукции, минимальный расход сырья, энергетических затрат). Процесс рас­ сматривается как квазистационарный, то есть не учитываются высо­ кочастотные возмущения и связанные с ними динамические режимы, а управление "основывается на определении средних значений (ма­ тематических ожиданий), параметров при каждой возникающей ситуа­ ции.

Работающая по таким принципам система предназначена для выработки оптимальных уставок регуляторам при изменении условий в.результате образования ситуаций, не учитываемых локальными ре ­ гуляторами, или в тех случаях, когда исчерпаны располагаемые диа­ пазоны регулирования и когда комбинации возмущений требуют для оптимизации новых уровней стабилизации отдельных параметров, до ­ пускаемых технологическими ограничениями.

Возмущения, поступающие на вход или возникающие при реали­ зации технологического процесса, связаны с изменениями:

качества поступающего сырья или полуфабрикатов в пределах допустимых диапазонов, которые зачастую весьма широки. Вариации исходных параметров сырья неизбежны, так как попытки их жесто­ кой стабилизации ведут к значительному перерасходу средств;

Технологических режимов на различных участках процесса. Эти изменения могут быть связаны, например, с наличием различных технологических путей в пределах дала или с вынужденными реше­ ниями из-за возникновения квазиаварийных ситуаций (выход из строя некоторых вспомогательных агрегатов, не вызывающих обяза-. тельного прекращения.процесса);

внешних условий проведения процесса: окружающей температу­ ры, качества энергоснабжения, составом вспомогательных материа­

345

нияыя технологов, действующими в пределах технологических инст­ рукций, которые допускают значительные вариации режимов 4 дру­ гими, трудно учитываемыми факторами, носящими случайный характер. Для оптимизации процесса необходимо определить критерий и

степень влияния отдельных факторов на определяющий критерий про­ цесса (производительность, качество, расход сырья, энергии) и выбрать такие значения этих факторов (из числа поддающихся воз­

отдельных участков, работа которых оказывает значительное влия­ ние на определяющий критерий.

Решение указанной задачи с использованием электронных вы­ числительных машин требует наличия математического описания про­ цесса, которое может быть получено тремя путями:

1 . Аналитическим методом при изучении механизма протекания процесса, закономерностей тепло- и массообмена, кинетики реак­ ции.и т.д. Полученные таким образом уравнения содержат различные константы и Коэффициенты, значения которых выбираются по данным исследования лабораторных и опытных установок.

2. Статистическим методом: путем регистрации фактических . значений различных факторов и определяющего признака в процессе производства (пассивный эксперимент) и последующей обработки дан­ ных для получения уравнения регрессии, связывающих указанные па­ раметры. Значительное увеличение достоверности статистических методов достигается при проведении направленных экспериментов, когда не ограничиваются фиксацией естественно изменяющихся си­ туаций, а вводят специальные режимы, позволяющие получить соот­ ношения параметров, необходимых для увеличения достоверности ре­ зультатов Д7-

3. Комбинированным методом: утолением значений коэффици­ ентов, входящих в аналитические уравнения при статистической об­ работке экспериментальных материалов или выборе вида членов рег­ рессионных уравнений в соответствии с физической сущностью про- . цесса, например, если рассматривают вопросы передачи тепла излу­ чением, то вводят члены, содержащие степени температур и т.д.

Статистические методы получения математических описаний тех­ нологических процессов получили за Последнее время значительное распространение, что объясняется:

346

недостаточной изученностью аналитических зависимостей влия­ ния отдельных параметров на сложные технологические процессы;

невозможностью перенесения результатов, полученных в лабо­ раторных условиях и при исследовании маломасштабных опытных уста­ новок, на крупные промышленные агрегаты;

малой достоверностью и большим диапазоном рекомендуемых в. справочных документах значений коэффициентов и констант, которые обычно имеют локальное, но не универсальное значение, и не всег­ да могут быть использованы для конкретных условий.

Получение математического описания технологического процес­ се статистическим методом при использовании данных пассивного аксперимента разделяется на следующие этапы:

1 . Выбор результативного и факториального признаков.

В качестве результативного признака (критерия оптимальности, функции цели, показателя эффективности) выбирается главный пара­ метр, представляющий интерес для данного производства и оказыва­ ющий существенное влияние на себестоимость продукции, которая является показателем, определяющим экономическую эффективность, что отражено в ряде нормативных документов /12_7.

В конкретных условиях результативный признак монет отражать локальные "узкие места" производства, оказывающие большое влия­ ние на весь процесс. Часто показатели качества продукции счита­ ются определяющим признаком. При этом учитывается не только эф­ фект, получаемый предприятием, выпускающим данную продукцию, но и выгода для других отраслей народного хозяйства - потребителей.

Выбор факториальных признаков для первоначального анализа производится на основании опроса мнений технологов, ведущих про­ цесс на разных участках производства, и основывается на их опыте.

.Впоследствии эти признаки анализируются формально-математически, что устраняет первоначальный субъективизм их выбора.

2. Организация сбора данных. В качестве источников информа­ ции обычно служат сквозные технологические паспорта, в которых фиксируются параметры технологического процесса, журналы опе­ раторов, содержащие записи показаний измерительных приборов.-, кар­ тограммы • самопишущих приборов и другие документы. При подготов­ ке этих .данных необходимо учитывать транспортное запаздывание, т.е., правильно относить измеренные значения факториальных приз­ наков к полученному результативному, что особенно важно для не­ прерывных процессов.

347

, Практика получения и обработки данных на крупных химичес­ ких и металлургических предприятиях указывает на необходимость проведения предварительных организационных мероприятий, при­ ведения в порядок необходимых форм технологической отчетности, проверки правильности их ведения.

Необходимо обратить внимание на недопустимость указания в документах вместо конкретных численных значений параметров све­ дений в виде: "в пределах нормы", "в диапазоне, предусмотренном технологической инструкцией" или "в соответствии с ГОСТом и т . д . , так как такие записи не несут информации, которую может исполь­ зовать ЭВМ.

3. Определение парных корреляционных зависимостей /Г-37. Целью первого этапа исследования является выяснение влияния от­ дельных параметров процесса на результативный признак. При этом предполагается, что факториалыше признаки взаимно независимы.

Если факториальные признаки взаимозависимы, то следует осто­ рожно подходить к выработке рекомендаций по.результатам парного корреляционного анализа. Мы должны быть уверены, что изменение рассматриваемого признака не влияет на средние значения других факториальных признаков. Анализируя влияние какого-либо парамет­ ра, мы считаем, что остальные остаются случайными и их средние , значения не изменяются, и, если обнаружится заметная корреляци­ онная связь анализируемого параметра с результативным признаком, то можно, рассматривая только этот параметр, выработать рекомен­ дации о его оптимальном значении, поддержание которого улучшит

методике. Массив информации, подлежащей обработке, представляет собой таблицу, столбцы которой соответствуют результативному и факториальным признакам, а строчки - номерам проведенных пассив­ ных наблюдений или специальных опытов:

Прежде всего необходимо исключить из рассмотрения записи (или результаты), которые значительно отличаются от средних зна­ чений. Такие данные могут появиться в результате описки, суще­ ственной ошибки при отсчете по шкале измерительного прибора или по другим причинам. Эти значения не должны учитываться при ста-

348

тистической обработке, так как могут существенно исказить резуль­ тат, не имея физического смысла.

Для определения значений У и / , которые должны быть от ­ брошены, находят числовые характеристики распределения каждого

где X. - математическое ожидание величины; Л£ - общее число строк в таблице; / . - значение признака Xj в к-ой строке;

(У .2)

где &х . - среднее квадратическое отклонение величины К-. Граничные значения признаков Xj т н и X, ш с , которые

нужны для определения значений признаков, подлежащих исключе­ нию, определяются по формулам

Исключение какого-либо значения признака в одной из коло­ нок ведет к исключению из массива всей строки, содержащей иск­ люченное значение. После упрощения таким образом исходной таб­ лицы в ней останется Н строк. После подготовки и отсортировки исходных данных определяются парные корреляционные зависимости признаков.

Для исследования особенно важно знать связи факториальных признаков с результативными, а для выработки рекомендации необ­ ходимо также энать.парные корреляционные связи между факториальными признаками.

349