книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

ГЛАВА 17. АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Автоматизированная система управления предприятием. Высо­ кие темпы роста деревоперерабатывающей, в том числе целлюлоз­ но-бумажной промышленности, ввод в эксплуатацию современных высокопроизводительных агрегатов определили совершенствование организации управления технологическими процессами на базе внедрения средств и систем автоматики и вычислительной техники.

Понятие вычислительная техника объединяет средства (вычис­ лительные машины, приборы и др.), предназначенные для ускоре­ ния и автоматизации вычислительных процессов, связанных с ре­ шением математических задач по заданному алгоритму функцио­ нирования. При этом под алгоритмом функционирования понима­ ется совокупность предписаний, выполнение которых приводит к решению поставленной задачи. В зависимости от способа ввода исходных и получения выходных данных вычислительные машины делятся на аналоговые, производящие операции над непрерывно изменяющимися значениями физических или аналоговых величин, и - цифровые, производящие операции над цифровыми кодами. Встречаются также аналого-цифровые вычислительные машины.

Вычислительная машина должна, например, решать дифферен­ циальное уравнение, описывающее динамическое равновесие между ограниченным числом переменных входных и одной выходной вели­ чиной. В частности, это может быть уравнение, связывающее рас­ ход массы и ее концентрацию с количеством абсолютно сухого волокна, или,-например, уравнение, связывающее качество и коли­ чество активных химикатов в белом щелоке, степень разбавления черным щелоком, время выдержки в зонах пропитки и варки, тем­ пературу в этих зонах с содержанием остаточного лигнина в цел­ люлозной массе, выдуваемой из вертикальных варочных аппара­ тов непрерывного действия.

На основе применения вычислительной техники, экономико-ма­ тематических методов и теории автоматического управления созда­ ются автоматизированные системы управления предприятием, яв­ ляющиеся высокоэффективным средством управления крупными целлюлозно-бумажными комбинатами, лесопромышленными комп­ лексами, производственными объединениями и отраслями.

В настоящее время разработка методов построения автомати­ зированных систем управления, математического и технического обеспечения таких систем, теоретических основ их функционирова­ ния идет по пути создания автоматических систем управления тех­ нологическими процессами (АСУТП) и автоматизированных орга­ низационно-экономических систем управления производственно­ хозяйственной деятельностью предприятий (АСУП).

АСУП является сложной системой управления, в ведении кото­ рой находятся техническая подготовка производства, технико-эко­ номическое планирование, материально-техническое снабжение, сбыт, оперативное управление (планирование, учет и регулирование производственной деятельности) и др.

357

Комплексная задача, решаемая АСУП, например, в целлюлоз­ но-бумажной промышленности состоит в том, чтобы обеспечить вы­ пуск стандартной целлюлозы, бумаги или картона при заданной неизменной скорости и производительности процесса и при мини­ мальном расходе сырьевых материалов, химикатов, полуфабрика­ тов и минимальной затрате тепловой и электрической энергии. Стандартность продукции, например, бумаги по массе 1 м2, влаж­ ности, механической прочности, оптическим и печатным свойствам может быть достигнута, если одновременно будут стабилизированы не только размеры параметров технологических процессов, но и многие из показателей сырьевых материалов, химикатов, полуфаб­ рикатов. Если стабильность последних в некоторых случаях не мо­ жет быть предметом автоматического управления, то стабильность первых может быть обеспечена применением средств централизо­ ванного контроля и управления.

Поставленная задача является сложной, так как объектам уп­ равления целлюлозно-бумажного производства присущи взаимо­ связь через процесс отдельных регулируемых переменных величин, большие запаздывания, многочисленность различных возмущающих воздействий.

Влияние двух первых факторов сказывается в случае применения для автоматизации одноили многоконтурных систем несвязанного регулирования. В качестве примера может быть рассмотрена мно­ гоконтурная система несвязанного регулирования влажности и массы 1 м2 бумажного или картонного полотна перед накатом ма­ шины. В случае возмущения по изменению размера массы 1 м2 или влажности оба контура независимо друг от друга начинают при­ водить массу 1 м2 и влажность бумаги к заданным значениям. При этом сказывается различие постоянных времени и запаздываний систем регулирования, приводящее к отставанию или несовпаде­ нию по фазе регулирующих воздействий. Лишь наличие значитель­ ного самовыравнивания, а также правильный выбор исполнитель­ ных устройств и правильная настройка ПИ-регуляторов не позво­ ляют системам регулирования массы 1 м2 и влажности бумаги стать неустойчивыми. Равновесие в системе может не установиться, если новое возмущающее воздействие по отклонению размера массы 1 м2 или влажности бумаги появится ранее, чем закончится переходный процесс.

Приведенный пример указывает на целесообразность создания взаимосвязанной системы управления на основе стабилизации раз­ меров массы 1 м2 и влажности бумаги, что становится возможным при наличии средств вычислительной техники.

Взаимосвязь через процесс проявляется также при работе ПИ-регуляторов давления сдувочных газов и температуры в вароч­ ном котле при естественной циркуляции варочной жидкости, уровня массы и давления воздуха в закрытом напорном ящике, давления пара в группах сушильных цилиндров и пароконденсатной системы, уровня и концентрации массы в выдувных резервуарах для цел­ люлозы и т. д.

358

Третий из указанных выше факторов обусловливается сложно­ стью технологических процессов целлюлозно-бумажного производ­ ства. Быстрое устранение возмущающих воздействий с наименьшей статической ошибкой по размеру регулируемого параметра — раз­ решимая задача автоматического управления процессом на базе стабилизации параметров. Оптимизация процесса, например, на основе экстремального регулирования еще нуждается в решении.

АСУП с учетом функционирования АСУТП может выполнять следующие о п е р а ц и и :

централизованный контроль параметров технологических про­ цессов по сигналам измерительных преобразователей, поступающих в аналоговой форме, включающий обнаружение отклонений, сигна­ лизацию, цифровую регистрацию и индикацию значений отклонив­ шихся от заданных размеров параметров, периодическую регистра­ цию значений всех или некоторых параметров, цифровую регистра­ цию и индикацию по вызову;

ввод с помощью устройств считывания входных данных и под­ программ с перфолент и перфокарт, а также сигналов от устройств цифрового ручного ввода;

первичную обработку информации — функциональное преобра­ зование, введение коррекций, интегрирование расходов, усреднение и т. д.;

вычисление технико-экономических показателей производства; работу в режиме стабилизирующего, программного или следя­ щего автоматического управления с замкнутой или разомкнутой цепью воздействия, обеспечивающего регулирование по различным законам (Пз, ПИД и др.), в том числе связанное регулирование; управление включением и выключением, блокировкой, аварий­

ной защитой оборудования и технологических установок; решение задач оптимизации технологических процессов с выда­

чей результатов в виде советов и рекомендаций для производствен­ ного персонала, а также в форме непосредственного управляющего воздействия на исполнительные устройства и задатчики автомати­

ческих регуляторов; исследование технологических и производственных процессов

посредством накопления и обработки информации (корреляционные связи, эффективность различных режимов и др.);

решение задач технико-экономического планирования, включая составление месячных производственных планов по производствам, цехам и участкам, составление графиков ремонта и профилактики оборудования, планирование потребности в материально-техниче­ ском снабжении, составление графиков расхода материально-тех­ нических ресурсов и т. д.;

оперативное планирование и контроль работы предприятия (составление, контроль и корректировка суточных и сменных за­

даний); анализ и учет (включая бухгалтерский) фондов заработной

платы и начислений на них, расхода основных и оборотных средств и др.

359

В настоящее время существует тенденция осуществлять АСУП на основе функциональной схемы, состоящей из трех ступеней уп­ равления.

П е р в а я с т у п е н ь управления осуществляется на основе АСУТП при помощи средств автоматического контроля и управле­ ния, расположенных на щитах операторов и местных щитах агре­ гатов, а также устройств связи с управляющими вычислительными машинами. Она позволяет осуществить контроль, сигнализацию, дистанционное управление и автоматическое регулирование техно­ логических процессов. На указанных щитах, расположенных вблизи или непосредственно у технологического оборудования, размеща­ ются: управляющие устройства, нормальная работа которых пол­ ностью гарантируется периодическими профилактическими осмот­ рами (ремонтами) и резервированием; регулирующие устройства, работающие автономно и не требующие систематического вмеша­ тельства оператора в их работу. Корректировка управляющих воз­ действий осуществляется посредством управляющих вычислитель­ ных машин.

Оператор на основании информации, выдаваемой средствами контроля, обеспечивает выполнение планового задания по качеству

иколичеству продукции, а также корректирует работу управляю­ щих вычислительных машин при необходимости изменения задания по технологическим режимам (если это не делается второй сту­ пенью управления); осуществляет контроль за работой средств автоматизации и за работой производственного персонала; пускает

иостанавливает оборудование и контролирует его состояние; ликвидирует возникающие аварийные состояния; организует аварийный и плановый ремонты оборудования; информирует дис­ петчера о всех нарушениях в работе оборудования и возникших отклонениях технологического процесса и оперативно выполняет указания диспетчера.

На этой ступени на основании данных лабораторных анализов посредством устройств ручного ввода в управляющие вычислитель­

ные машины вводится информация о сырье, полуфабрикатах, хими­ катах, готовой продукции и т. п. При этом цифровая индикация позволяет осуществлять контроль за правильностью ввода инфор­ мации и получать результаты расчетов.

В т о р а я с т у п е н ь управления осуществляет организационно­ экономическое управление производственно-хозяйственной деятель­ ностью отдельного предприятия (производства), входящего в со­ став комбината или комплекса. При этом используются устройства связи телевидения и аппаратура для обработки низовой информа­ ции, расположенные на пультах и щитах диспетчерского пункта предприятия. При достаточном размере оперативной памяти вычи­ слительной машины одна и та же вычислительная машина может использоваться как на первой ступени (в АСУТП), так и на второй ступени управления (в АСУП).

Как правило, вся информация на вход второй ступени управле­ ния должна поступать с выходов первой ступени управления, т. е.

360

ручной ввод информации должен отсутствовать или быть резко ограничен. Информация с выходов второй ступени управления по­

устройств оперативного контроля, диспетчерской связи, телевиде­ ния и устройств вычислительной техники, расположенных на пуль­ тах и щитах главного диспетчерского пункта и вычислительного центра АСУП целлюлозно-бумажного комбината или лесопро­ мышленного комплекса, в состав которого входят целлюлозные, бумажные, лесохимические и другие лесоперерабатывающие или деревообрабатывающие предприятия. Вычислительная техника этой ступени не оказывает управляющих воздействий на технологиче­ ские процессы, в ее задачи входит текущий учет и оптимальное оперативное планирование в масштабах комбината или промышлен­ ного комплекса, т. е. задачи, имеющие общий характер для всей группы производств.

Эта ступень оперирует с информацией наиболее обобщенного характера, позволяющей координировать по укрупненным показа­ телям деятельность всего комбината или комплекса как единого целого.

Из приведенного следует, что третья ступень осуществляет организационно-экономическое управление производственно-хозяй­ ственной деятельностью в целом комбината или комплекса, в то время как вторая ступень выполняет эти задачи на уровне отдель­ ного производства, входящего в комбинат или комплекс, а первая ступень осуществляет оперативное управление технологическими процессами (посредством АСУТП) и сбор и первичную обработку информации с выдачей рекомендаций операторам производствен­ ных установок (работа вычислительных устройств в режиме советчика).

Автоматические системы управления технологическими про­ цессами. Управляющие цифровые вычислительные машины все шире применяются в АСУТП целлюлозно-бумажной промышленно­ сти, в АСУП и в информационных системах, работающих в режиме' «советчик оператора». Для того чтобы та или иная АСУТП могла нормально функционировать, управляющая вычислительная ма­ шина должна обладать повышенной надежностью. Это требование вызывается тем, что автоматическому управлению подвергаются либо непрерывные высокопроизводительные технологические про­ цессы, либо процессы с взрывоопасной или токсичной средой, либо процессы, исключающие переход на ручное управление вследствие замедленной реакции оператора. Обеспечение общего резервирова­ ния методом замещения с восстановлением позволяет резко поднять надежность АСУТП и создать гибкую структуру сопряжения управ­ ляющей вычислительной машины с объектом управления.

Управляющая цифровая вычислительная машина в АСУТП осу­ ществляет: автоматический централизованный сбор информации посредством программного опроса первичных измерительных пре­ образователей; математическую и логическую обработку информа­

361

ции; выдачу обработанной информации оператору: выдачу управ­ ляющих воздействий на задатчики местных (локальных) систем автоматического регулирования и управления; обмен информацией с другими вычислительными машинами; исследование технологиче­ ских процессов с целью выявления их технических и экономиче­ ских характеристик; автоматическое контролирование размеров технологических параметров с индикацией в виде показаний, записи и сигнализации отклонения их значений от нормы; расчет комплексных параметров и оперативный контроль их размеров; расчет оптимальных режимов ведения технологических процессов и др.

При применении АСУТП достигают таких результатов, которые не могут быть получены при использовании обычных устройств автоматизации. Так, локальные системы несвязанного автоматиче­ ского регулирования м н о г о с т у п е н ч а т о й о т б е л к о й ц е л ­ л ю л о з ы из-за значительного разброса размеров постоянных времени и запаздываний в различных контурах регулирования не

и т. д.). Кроме того, при локальных системах регулирования хло­ рирование целлюлозы производится вне зависимости .от ее жестко­ сти, в конце процессов нейтрализации и гипохлоритной отбелки обычно не производится измерения и регулирования показателя pH, отсутствует связь в системе регулирования высоты уровней массы в ваннах со скоростью вращения барабанов вакуум-фильтров и др.

При осуществлении АСУТП многоступенчатой отбелкой целлю­ лозы с использованием связанной каскадной системы управления эти недостатки исключаются: автоматически регулируется расход химикатов, высота уровней в башнях и ваннах вакуум-фильтров, число оборотов барабанов вакуум-фильтров, расход воды в зоне разбавления массы в башнях, концентрация массы и т. д. Управ­ ляющая вычислительная цифровая машина рассчитывает и выдает регуляторам задания по высоте уровней во всех отбельных башнях в зависимости от расхода отбеливаемой целлюлозы (от производи­ тельности), а также задания по расходу хлора .на ступенях хло­ рирования в зависимости от степени делигнификации целлюлозы, поступающей на отбелку в эти ступени.

Поскольку измерение качественных показателей целлюлозы не поддается автоматизации, то в данном случае для управления отбелкой использованы косвенные показатели, размеры которых на начальных стадиях ступеней отбелки достаточно сильно связаны с качественными показателями целлюлозы в конце отбелки. Для ступени хлорирования — это линейная функция окислительно-вос­ становительного потенциала, для ступени гипохлоритной отбелки — та же функция и показатель pH, для ступени нейтрализации — по­

казатель pH.

Алгоритм расчета относительного расхода хлора в ступени хло­ рирования включает в себя: расчет времени запаздывания при

362

измерении еН (окислительно-восстановительного потенциала) и размера поправки к еН, вызываемой изменением времени запазды­ вания при измерении; расчет заданного значения еН; расчет отно­ сительного расхода хлора по размеру отклонения еН от заданного значения.

Для управления высотой уровней в отбельных башнях с целью стабилизации длительности реакций при переменном расходе цел­ люлозы, поступающей на отбелку, используется разомкнутая си­ стема регулирования (по возмущающему воздействию): измеря­ ется расход поступающей на отбелку целлюлозы и по его размеру рассчитываются значения высот уровней в отдельных башнях.

В результате функционирования АСУТП отбелки на Сясьском ЦБК достигнута стабилизация параметров процесса отбелки и, как следствие, стабилизация качества беленой целлюлозы, повышение выхода высокосортной целлюлозы, сокращение расхода химикатов и уменьшение потерь волокна при отбелке.

П р о ц е с с н е п р е р ы в н о й в а р к и сульфатной целлюлозы в вертикальных варочных аппаратах является одним из основных процессов получения сульфатной целлюлозы для мешочной бумаги и картона. Он в значительной мере обусловливает себестоимость бумаги и картона. Эффективность управления этим процессом в ко­ нечном счете сказывается на экономических показателях произ­ водства.

Математическое моделирование системы автоматизации про­ цесса непрерывной варки сульфатной целлюлозы показало, что для поддержания заданных размеров производительности и качества продукции (стабилизация жесткости целлюлозы при ограничении по непровару) необходимо ПИД-регулирование. Сложная зависи­ мость входных и выходных величин от времени, наличие внутрен­ них связей между »регулируемыми параметрами, большое количе­ ство разнообразных возмущающих воздействий и большие запазды­ вания не допускают ПИ-регулирования. Например, влияние измене­ ния концентрации или расхода белого щелока, подаваемого в верх котла на варку, при имеющихся средствах контроля выявится не ранее чем через 1—3 ч. Это фактически почти соизмеримо с про­ должительностью варки, и поэтому вмешательство ПИ-регулятора не дает нужных результатов. Вычислительная машина на основании обработки информации о размерах входных величин и возмущаю­ щих воздействий быстро определяет размеры ожидаемого через 1—3 ч отклонения выходных величин и создает соответствующее управляющее воздействие на задатчики регуляторов для предотвра­ щения этого отклонения на основе ПИД-закона регулирования.

Внедренная на Котласском ЦБК АСУТП варки сульфатной цел­ люлозы является каскадной системой связанного управления. В качестве внутреннего контура управления используется система стабилизации расхода' активной щелочи, гидромодуля и темпера­ туры варки, позволяющая значительную часть возмущающих воз­ действий погасить еще на входе объекта управления. Задания в эту систему поступают из внешнего контура — системы регулирова­

363

ния степени провара целлюлозной массы. При существенных воз­ мущениях или при изменении требований к показателям целлюлоз­ ной массы и черного щелока в качестве внешнего контура высту­ пает система корректировки технологического режима, уточняющая задания в системе регулирования степени провара целлюлозной массы. Иными словами, при существенных изменениях качества щепы и щелоков, поступающих в варочный аппарат, или при изме­ нениях производительности аппарата система корректировки техно­ логического режима прогнозирует размеры управляющих парамет­ ров процесса варки — расход активной щелочи, температуру в зоне варки и гидромодуль варки, обеспечивающие требуемые показатели целлюлозной массы и черного щелока, а также максимально воз­ можный при этом выход целлюлозы из древесной щепы. Операторварщик может проследить по сигнализации и цифровой индикации функционирование АСУТП и при необходимости изменить ограни­ чения на параметры или внести другие изменения в действие АСУТП.

Задача оптимизации технологического п р о ц е с с а п р о и з в о д ­

производства бумаги сводится к решению сложной задачи, что в производственных условиях связано со значительными трудностями. Поэтому внедренная на Жидачовском картонно-бумажном комби­ нате АСУТП производства бумаги пока функционирует в информа­ ционном режиме в качестве «советчика оператору».

Принимая во внимание значительный экономический эффект, достигаемый от внедрения более совершенных систем управления, на основе АСУТП разработано управление стабилизацией разме­ ров влажности и массы 1 м2 бумажного полотна, а также компози­ ции бумажной массы.

Система управления массой 1 м2 бумажного полотна состоит из аналоговой системы автоматического регулирования абсолютно сухого количества густой массы, подаваемой на бумагоделатель­ ную машину, и цифрового контура регулирования абсолютно сухой массы 1 м2 бумажного полотна на накате.

Система управления влажностью бумаги состоит из аналоговой системы автоматического регулирования давления пара в основной группе сушильных цилиндров с цифровой коррекцией по размеру вакуума в гауч-вале и отклонению влажности бумажного полотна

на накате.

Система управления композицией бумажной массы состоит из аналоговой системы автоматического регулирования расходов и концентраций компонентов и цифровой системы регулирования, со­ держания целлюлозы и оборотного брака и высоты уровня массы

вмашинном бассейне.

Впроизводстве бумаги перспективным является разработка

алгоритма функционирования для управления соотношением скоро­

364

Ра з д е л III. Системы автоматического регулирования

Гл а в а 7. Основные свойства объектов автоматического контроля и ре­

3 6 6