8.1. Асутп микробиологического синтеза лизина ' в биореакторах периодического действия

Синтез лизина — незаменимой аминокислоты — осуществляется микроорганизмами Brevibacterium по методу глубинного куль­тивирования, при котором клетки — продуценты суспендирова­ны в водном растворе питательных веществ (культуральной жидкости), насыщаемом воздухом. Основными компонентами питательной среды являются сахара мелассы (отхода свекло­сахарного производства), биологически активные (ростовые) вещества и соли аммония.

Производство кормового концентрата лизина включает сле­дующие стадии: приготовление питательной среды, выращива­ние посевного материала, микробиологический синтез, выпарку и сушку. Основной стадией является синтез, при котором обра­зуется целевой продукт. Оптимальными условиями для синтеза являются температура 31°С и кислотность среды 7,4 рН. Про­цесс необходимо проводить в стерильных условиях. Периодический процесс микробиологического синтеза лизина как объект управления. В промышленных условиях для синте­за лизина применяют биореакторы периодического действия емкостью 50 и 100 м³, снабженные мешалкой, теплообменником и барботером для подачи аэрирующего воздуха, в резуль­тате чего обеспечивается интенсивное перемешивание культу­ральной жидкости.

Цикл работы биореактора включает следующие стадии: ос­мотр и промывку аппарата; его герметизацию (опрессовку); стерилизацию; загрузку исходной питательной среды; ввод по­севного материала; рабочую стадию — размножение микроорга­низмов и синтез целевого продукта; заключительную стадию — слив культуральной жидкости, содержащей лизин.

Общая продолжительность цикла — 80 ч, в том числе про­должительность рабочей стадии — 60 ч.

На вспомогательных стадиях основной функцией управле­ния является обеспечение заданной последовательности выпол­нения операций, т. е. функция программно-логического управле­ния. Она реализуется переключением в определенной последо вательности запорной арматуры, установленной на трубопро­водах технологической обвязки биореактора. За цикл работы биореактора лизина необходимо переключить десятки единиц запорной арматуры, причем в случае ошибочного изменения порядка переключения нарушается стерильность, что ведет к снижению выхода целевого продукта. При управлении вруч­ную ошибки в порядке переключения — одна из причин потерь продукта. Кроме того, переключение вентилей вручную связано с большими затратами труда и времени, т. е. с увеличением длительности вспомогательных операций и снижением произво­дительности реактора. Поэтому автоматизация программно-ло­гического управления — важный резерв повышения эффектив­ности производства лизина.

Кроме программно-логического управления на ряде вспомо­гательных стадий процесса требуется регулирование некоторых технологических параметров — таких как давление, рН среды. Например, на стадии стерилизации кроме функций программ­но-логического управления (подключение биореактора к паро­вому коллектору в начале стадии, выдержка заданной длитель­ности стерилизации и отключение от коллектора по окончании стадии выдержки) необходимо регулировать давление пара в аппарате.

На рабочей стадии функции управления состоят в следую­щем:

регулирование основных технологических параметров, опре­деляющих режим микробиологического синтеза: температуры и рН культуральной жидкости, давления в аппарате, уровня пены и расхода аэрирующего воздуха;

управление дозированием подпитки, т. е. подачи в аппарат дополнительного количества питательной среды во время мик­робиологического синтеза;

определение момента окончания рабочей стадии.

Рассмотрим особенности реализации этих функций в АСУТП. Температура характеризует тепловой баланс биоре­актора, который складывается из выделения тепла при проте­кании биохимических реакций и отвода тепла в теплообменни­ке. Таким образом, биореактор является статическим объектом регулирования температуры. Основными возмущающими воз­действиями служат изменение тепловыделения при смене фаз физиологического развития микроорганизмов-продуцентов, а также изменение температуры охлаждающей воды, поступаю­щей в теплообменник. Регулирующим воздействием является изменение расхода охлаждающей воды. Вследствие большой тепловой емкости этот объект обладает значительной инерци­онностью и чистым запаздыванием. Требуемая точность регули­рования обеспечивается стандартным ПИД-регулятором.

Необходимость регулирования рН вызвана тем, что на не­которых стадиях процесса в результате биохимических реакций возрастает кислотность культуральной жидкости, и показатель рН снижается относи­тельно оптимального значения.

Рис. 8.1. Функциональная схе­ма автоматического регулиро­вания биореактора

/ — АСР расхода аэрирующего воз­духа; 2 — АСР температуры; 3 —' АСР давления; 4 — АСР уровня пе­ны; 5 — АСР показателя рН

Для нейтрали­зации выделяющейся кислоты в реактор пода­ют титрующее вещество

(аммиачную воду), расход которого служит регулирующим воздействием. Как объект регулирования рН биореактор явля­ется статическим и обладает сравнительно малой инерционно­стью и запаздыванием, поэтому стандартный ПИД-регулятор обеспечивает требуемую точность регулирования. Определен­ные технические трудности при автоматическом регулирова­нии рН связаны с необходимостью стерилизации паром элект­родов* чувствительного элемента рН-метра при температуре до 140 °С.

Давление в биореакторе регулируют изменением расхода отходящих газов. Как объект регулирования давления биореак­тор обладает благоприятными характеристиками, поэтому тре­буемое качество регулирования обеспечивается стандартным ПИД-регулятором.

Особенность процесса микробиологического синтеза лизина состоит в образовании большого количества пены, которая мо­жет заполнить рабочую полость аппарата и попасть в трубо­провод отходящих газов. Уровень пены регулируют подачей в биореактор специальных веществ — пеногасителей. Обычно используют двухпозиционное импульсное регулирование, при котором в случае превышения допустимого уровня пены пено-гаситель подается в аппарат отдельными дозами с выдержкой определенных интервалов времени между ними.

Таким образом, для автоматической реализации функции регулирования технологических параметров можно использо­вать одноконтурные АСР. Соответствующая функциональная схема автоматизации показана на рис. 8.1.

Наиболее сложными для автоматизации являются функции управления дозированием подпитки и определения момента окончания рабочей стадии.

Определение оптимального управления для периодического про­цесса микробиологического лизина с подпиткой. Программу дозирования подпитки и момент окончания рабочей стадии оп ределяют из решения следующей задачи оптимального управ­ления периодическим процессом биосинтеза лизина с под­питкой:

(8.1)

где р и V — концентрация лизина и объем культуральной жидкости; £р и is — продолжительность рабочей и вспомогательных стадий процесса; и — вектор управляющих воздействий, которыми. в общем случае являются рас­ход и состав подпитки, а также t_v; D — множество допустимых решений, за­данное технологическими ограничениями и уравнениями математической мо­дели процесса.

В настоящее время по производственным условиям общий объем вносимой подпитки и ее состав обычно задают, а про­должительность рабочей стадии определяют из технологическо­го ограничения

(8.2)

где s — концентрация Сахаров в культуральной жидкости; s» — заданное зна­чение концентрации.

С

(8.3)

учетом этого задача (8.1) может быть сведена к следующей:

где г — концентрация ростовых веществ в культуральной жидкости; D\ — множество допустимых значений г к s, которые рассматриваются как управ­ляющие воздействия.

Множество di определяется условиями

а также уравнениями математической модели* периодического процесса микробиологического синтеза:

(8.4)

(8.5)

Критерий (8.3) можно преобразовать с учетом уравнения (8.5). Тогда задача оптимального управления в окончательной постановке выглядит следующим образом:

(8.6)

при

* Модель построена в предположении, что реактор работает в режиме идеального перемешивания и скорость биохимических реакций не ограничена условиями массопередачи кислорода из воздуха в культуральную жидкость.

Для ее решения запишем условия оптимальности, вытекающие из принципа максимума Понтрягина:

(8.7)

(8.8)

(8.9)

П

(8.10)

осколькуx>0, условие (8.7) в дальнейшем заменено усло­вием:

В этом выражении от s зависит только первое слагаемое, по­этому требование max Н/х равносильно условию

З

(8.11)

ависимостьq от s представлена на рис. 8.2, а, из которого следует, что оптимальная концентрация Сахаров постоянна:

С

(8.12)

учетом (8.11) условие (8.10) сводится к следующему:

Анализ общего решения дифференциального уравнения (8.8) с граничным условием (8.9) показывает, что при

На рис. 8.2,6 показан характер зависимости функций  и q от г, а на рис. 8.3 — функции  от r.

Можно показать, что оптимальная концентрация ростовых веществ r°(t), удовлетворяющая условию (8.12), является ку­сочно-постоянной функцией, имеющей на отрезкене более двух интервалов постоянства:

(8.13)

Рис. 8.2. Кинетические зависимости процесса микробиологического синтеза лизина:

а — удельной скорости синтеза лизина q от концентрации Сахаров s; б — удельных ско­ростей роста биомассы ц (/) и синтеза лизина q (2) от концентрации ростовых ве­ществ г •

Рис. 8.3. Зависимость функции=H/x от концентрации ростовых веществ при и

Момент переключения определяется из условия

(8.14)

где q° — максимальное значение функции q, которого она достигает при s=s° r=0.

Интегрируя уравнение (8.8) в «обратном» времени на отрезке при r°=0, получим:

Отсюда с учетом условия (8.14) определим момент переклю­чения:

Таким образом, для принятых допущений оптимальный про­цесс микробиологического синтеза лизина распадается на две стадии: первая — ускоренный рост биомассы, для которого не­обходимо поддерживать максимальную концентрацию ростовых веществ; вторая — активный синтез целевого продукта, при котором концентрация ростовых веществ должна быть равна нулю.

В реальных условиях приходится учитывать ограниченные массообменные возможности биореактора (из-за которых на стадии роста биомассы скорость процесса обычно лимитируется концентрацией растворенного кислорода), а также то обстоя­тельство, что уменьшение концентраций r и s может происхо­дить только вследствие потребления соответствующих веществ в процессе микробиологического синтеза.

С учетом этих ограничений оптимальные программы (8.11) и (8.13) трансформируются к виду, представленному на рис. 8.4.

Близкий к оптимальному профиль концентрации ростовых веществ получают, если в исходную питательную среду вводит­ся почти все их количество, рассчитанное на процесс в целом. Что касается Сахаров, то задача управления, согласно (8.11), состоит в поддержании оптимальной их концентрации дозиро­ванием подпитки на отрезке (см. рис. 8.4).Алгоритм адаптивного управления импульсной подачей под­питки. В настоящее время на биохимических заводах по произ­водству лизина подпитку вносят импульсно, подавая в биореак­тор за короткий промежуток времени определенную дозу рас­твора Сахаров. В результате концентрация Сахаров скачкообразно возрастает до значения S2, которое можно рассчитать из уравнения материального баланса (см. рис. 8.5):

(8.15)

Рис. 8.4. Оптимальные профили концентрации ростовых веществ г (/) и Саха­ров s (2) для периодического процесса биосинтеза лизина: t\ — окончание подачи сахарной подпитки; t_f — окончание процесса биосинтеза

Рис. 8.5. Изменение концентрации Сахаров при импульсной подаче подпитки: t_n— момент подачи в биореактор дозы подпитки

где V] и Si — объем культуральной жидкости в биореакторе и концентрация в ней Сахаров в момент внесения дозы подпитки; V_a и s_n — объем дозы и концентрация в ней Сахаров.

П

(8.16)

ри импульсной подаче подпитки условие поддержания оп­тимальной концентрации Сахаров, следующее из (8.11), мож­но записать в виде:

где — момент подачи в реактор j-той дозы подпитки.

Если скорость потребления Сахаров на небольшом отрезке времени близка к постоянной, то условию (8.16), очевидно, со­ответствует следующее соотношение:

Используя это выражение совместно с (8.15), определим значе­ние S1, обеспечивающее выполнение (8.16):

Момент t_n внесения дозы подпитки определяется из линей­ной прогнозирующей модели (4.60):

где — время, отсчитываемое от момента выполнения последнего лабора­торного анализа по определению концентрации Сахаров в культуральной жидкости; и- оценки параметров прогнозирующей модели, рас­считываемые по формулам (4.58) — (4.59) с использованием результата последнего анализа (см. пример в разд. 4.6).

Если расчетное время

(8.17)

то очередную дозу подпитки вносят в этот момент; в противном случае решение о времени внесения дозы подпитки принимают после получения в момент результата очередного анализа. Момент окончания рабочей стадии процессаопределяют по той же линейной прогнозирующей модели из условия (8.2):

Если расчетное время удовлетворяет условию, аналогичному (8.17), его признают вероятным моментом окончания рабочей

стадии процесса. а^чгтп

Функции АСУТП микробиологического синтеза лизина. AC,/111

предназначена для автоматизированного управления процессом микробиологического синтеза лизина в биореакторах периоди­ческого действия большой единичной производительности (ра­бочим объемом свыше 50 м³).

Система реализует следующие функции (рис. 8.6):

первичную обработку информации и представление ее опе­ратору (в частности, сигнализация отклонения технологических параметров от регламентных значений, индикация по вызову значений параметров и сигнализация состояния запорной и ре­гулирующей арматуры);

расчет неизмеряемых величин;

программно-логическое управление процессом на вспомога­тельных стадиях;

Рис. 8.6. Функциональная структура АСУТП микробиологического синтеза лизина в биореакторах периодического действия:

/__у]__функции системы; / — первичная обработка информации и представление ее

оператору; Я — регулирование технологических параметров; /// — расчет неизмеряемых величин; /V — управление подпиткой и определение времени окончания рабочей стадии; V—программно-логическое управление; VI — связь с АСУТП верхнего уровня; / — ис­полнительные устройства для регулирования технологических параметров; 2 — информа­ционно-измерительные каналы; 3 — датчики дискретных сигналов; 4 — автоматическая запорная арматура

регулирование технологических параметров на вспомога­тельных и рабочей стадиях процесса;

управление подачей подпитки и определение времени окон­чания рабочей стадии;

связь с АСУТП высшего уровня.

Все функции АСУТП реализуются программно*. В состав специального математического обеспечения системы входят сле­дующие алгоритмы:

1) первичной обработки информации, в частности изложен­ные в гл. 3 алгоритмы контроля достоверности исходной инфор­мации (допусковый), фильтрации (экспоненциального сглажи­вания), аналитической градуировки (манометра, рН-метра, термопреобразователя сопротивления);

2) расчета неизмеряемых величин, в частности изложенные в гл. 4 алгоритмы интегрирования методом прямоугольников и прогнозирования значений концентраций ключевых компо­нентов культур альной- жидкости на основе полиномиальных мо­делей (4.56);

3) непосредственного цифрового управления по стандартно­му ПИД-закону регулирования;

4) программно-логического управления;

5) адаптивного управления импульсной подачей подпитки и определения времени окончания рабочей стадии.

КТС системы состоит из микропроцессорного управляюще­го комплекса (МПК) «Биоцикл», и стандартных технических средств автоматизации (измерительных, нормирующих и проме­жуточных преобразователей и вторичных приборов), размещен­ных в двух напольных шкафах [35].

МПК «Биоцикл» является объектно-ориентированным из­делием, построенным на базе агрегатного комплекса микро­процессорных средств диспетчеризации, автоматики, телемеха­ники (МикроДат), который входит в состав Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Элементной .базой МикроДат служит комплект БИС серии К-580, основу которого составляет универсальный 8-ми разрядный микропроцессор. МПК «Биоцикл» no-существу яв­ляется специализированным УВК, в состав которого входят микро-ЭВМ и набор периферийного оборудования для связи с ТОУ, оперативным персоналом и ЭВМ вышестоящего уровня управления. Конструктивно МПК выполнен в виде напольного шкафа, в котором на стандартных блочных каркасах установ­лены агрегатные модули МикроДлт, а также размещены источ­ники питания. На передней двери шкафа смонтирована лицевая панель МПК, на которой размещены средства отображения ин­формации (цифровые индикаторы и сигнальные лампы), а так­же органы управления клавишного типа.

Предусмотрено два режима функционирования системы — информационно-советующий, при котором часть функций уп­равления выполняет оператор, воздействующий на исполнитель­ные устройства с помощью команд дистанционного управления, и автоматический режим НЦУ. Для реализации функций уп­равления подачей подпитки и определения времени окончания рабочей стадии используют данные лабораторных анализов, ко­торые оператор вводит в память МПУ, после чего инициирует работу соответствующей программы. Результаты расчета выво­дятся на лицевую панель МПУ в виде рекомендуемого времени выполнения соответствующей операции (подачи дозы подпитки или начала слива культуральной жидкости из аппарата).

АСУТП на основе МПК. «Биоцикл» могут входить в состав распределенных иерархических АСУТП как подсистемы нижне­го уровня. Для этого предусмотрена возможность обмена ин­формацией между МПК и УВМ вышестоящего уровня, выпол­няющей функции координатора.

S.2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ «ПОЛИМИР-50» (АСУ «ПОЛИМИР»)

Типичным примером агрегата большой мощности является установка «Полимир-50» по производству полиэтилена методом •высокого давления.

Значительный рост производительности единичного агрегата достигнут в результате увеличения габаритов и изменения кон­струкции аппаратов установки, а также резкой интенсификации процесса полимеризации путем повышения давления и темпера­туры в реакторе и применения эффективных инициаторов. Эти изменения в организации процесса привели к существенному росту количества перерабатываемой информации о ходе про­цесса, повысили требования к объему реализуемых функций, точности и надежности системы управления процессом и в ко-" дечном счете привели к необходимости разработки _автоматизи-рованной системы управления с применением средств вычис­лительной техники [14].

'Полимеризация этилена осуществляется в двухзонном трубчатом реак­торе под высоким давлением. При этом получают полиэтиленовый гранулят.

/ — ввод этилена; 2, 5 — рециклы низкого и высокого давления; 3 — подача кислорода; 4, 6 — компрессоры первого и второго каскада; 7 — подогреватели; 8, 9 — первая и вто­рая зоны реактора; 10 — регулирующий клапан; 11—холодильник; 12, 13 — отделител» промежуточного и низкого давления; 14 — гранулятор

На рис. 8.7 представлена упрощенная технологическая схема процесса.

Краткая характеристика особенностей этого процесса как объекта управления приведена во Введении.

Свежий этилен 1 поступает в установку, предварительно смешиваясь с возвратным этиленом низкого давления 2. В этилен вводят кислород 3, •служащий инициатором полимеризации. Затем газ сжимают компрессором первого каскада 4 до так называемого промежуточного давления. После компрессии газ делится на два потока, к которым подводится еще и воз-•вратный газ промежуточного давления 5. Оба газовых потока сжимают в двух компрессорах второго каскада 6 до давления реакции, подогревают ,в подогревателях 7 и подводят в зоны реактора 8 и 9. Для управления тем­пературным режимом работы реактор снабжен специальными «рубашками», по которым циркулирует горячая вода.

В конце второй зоны реактора реакционная смесь дросселируется через «специальный регулирующий клапан slO, .охлаждается в продуктовом холодильнике 11, а затем поступает в отделитель промежуточного давления 12. Здесь полимер отделяется от непрореагировавшего этилена и дросселируется в отделитель низкого давления 13, в котором также выделяется этилен из-расплава. После отделителя низкого давления расплав направляется в гра­нулятор 14; полученный гранулят подается в цех конфекционирования. Не­прореагировавший в процессе полимеризации этилен, выделившийся в отде­лителях промежуточного и низкого давления, возвращается на полимериза­цию. Процесс полимеризации сопровождается выделением большого коли­чества тепла, которое необходимо отводить для поддержания заданной тем­пературы реакции. Образующийся в результате реакции полимер может иметь различные молекулярно-массовое распределение и физико-механиче­ские свойства, зависящие в основном от условий проведения реакции: тем­пературы, концентрации инициатора, давления и некоторых других фак­торов.

Задачи контроля и управления. Основным и наиболее слож­ным в управлении агрегатом технологической схемы является реактор, в котором мономер — этилен — превращается в поли­мер. Процесс проводят при давлении порядка 250 МПа и тем­пературе около 300 °С. Количество этилена, превращенного в полимер за время пребывания в реакторе (степень конверсии, или степень полимеризации), является наряду с показателями качества продукта основным показателем эффективности функ­ционирования реактора и всей технологической линии. Однака непосредственное измерение этих параметров осуществляется с большим запаздыванием, составляющим более 1 ч (при вре­мени пребывания смеси в реакторе 1,5—2 мин). Поэтому использование результатов таких измерений для управления про­цессом сложно.

Управление реактором осуществляют изменением расходов реакционной смеси по зонам реактора, концентрации инициато­ра в смеси, ее входной температуры, давления в реакторе и тем­пературы теплоносителя в рубашке реактора. Число контроли­руемых параметров в реакторе более 100. Основная задача ста­билизации режима в реакторе,— поддержание в нем заданно­го давления. Это достигается дросселированием газа из реак­тора 9 в отделитель промежуточного давления 12 (см. рис. 8.7) с помощью клапана 10.

В ряде установок производства полиэтилена высокого дав­ления в трубчатых реакторах применяют пульсирующий режим поддержания давления в аппарате. При этом давление пе­риодически (с периодом порядка 1 мин) резко снижают на (250-=-300)ХЮ~⁵ Па и затем вновь выводят на заданное зна­чение. Продолжительность такого снижения — подъема давле­ния составляет 10—15 с. Целью создания таких пульсаций яв­ляется срыв пленки полимера, оседающей на стенках реактора и резко ухудшающей условия теплообмена, а также ликвидация возможных забивок {«пробок») реактора продуктом. Такой ре­жим работы реализуют с помощью специального управляющего устройства, называемого «главный регулятор». С помощью это­го же регулятора стабилизируют давление в реакторе, реализу­ют достаточно жесткие требования к точности управления дав­лением в стационарных и переходных режимах (при пульсации давление должно точно, с большой скоростью и без перерегули­рования возвращаться к заданному значению).

Температура в реакторе существенно изменяется по его дли­не. Она измеряется в 60—80 точках. Определенные области функционирования процесса соответствуют высокой параметри­ческой чувствительности температуры в реакторе, когда не­большим флуктуациям параметров соответствуют значитель­ные изменения температуры (см. рис. 2.32,а), что может приве­сти к аварийным ситуациям. Управление температурой осу­ществляется изменением давления в аппарате: при превышении допустимого значения температуры давление в реакторе снижа­ется, что приводит к уменьшению скорости реакции полимери­зации и снижению температуры. Естественно, что такое сосре­доточенное управление в ряде случаев недостаточно эффектив­но. Поэтому используют также алгоритмы контроля и управле­ния процессом, учитывающие распределение температуры по длине (см. гл. 2).

Управление другими участками технологической линии в основном заключается в стабилизации на заданном значении ряда параметров, сигнализации об их отклонениях и осуществ­лении ряда предаварийных и аварийных защит. При этом об­щее число контролируемых параметров на установке достигает

Рис. 8.8. Декомпозиция задачи «Обеспечение заданной производительности установи» '

План-график работы установки «Полимир» включает зада­ние по количеству и качеству (ассортименту, или марке продук­та) выпускаемого полимера. При этом всегда имеются ограниче­ния по ресурсам, определяемые внешними условиями и работой смежных производств. Кроме того, к изменениям в плане могут приводить требования заказчиков и остановы производства. Это требует оперативной корректировки плана-графика. На уста­новках получения полиэтилена высокого давления выпускают обычно несколько марок продукта с различными свойствами,, что приводит к необходимости переходов с одного режима ра­боты установки на другой. Каждый такой переход связан с Управление процессом синтеза полиэтилена усложнено» 0 основном возможностью протекания реакций разложения эти-дена в реакторе. Эти реакции протекают с высокой скоростью,, опровождаются выделением большого количества тепла, по-,вышением давления и имеют характер теплового взрыва. Кро­ме того, поскольку цех синтеза представляет собой цепочку по­следовательно соединенных аппаратов, жестко связанных меж­ду собой по нагрузкам и параметрам процесса, то отказ какого-либо «з этих аппаратов может приводить к выходу из строям всего цеха. Управление данным технологическим комплексом; осуществляется из центрального пункта управления.

Анализ аналогичных действующих автоматизированных тех­нологических комплексов показал, что современные производст­ва полиэтилена хорошо оснащены различными контрольно-из­мерительными приборами и средствами автоматизации. С их помощью обеспечивается стабилизация основных режимных па­раметров на заданных значениях. Однако при этом осуществля­ется управление лишь отдельными операциями, а не установкой: в целом, и оказывается невозможным выполнение ряда важных для крупнотоннажных агрегатов функций: переход с режима на-режим, стабилизация качества продукта, пуск и останов про­цесса и т. д. Кроме того, изменения в системе управления, обу­словленные совершенствованием технологии процесса, при ис­пользовании традиционных средств КИПиА требуют значитель­ных капитальных затрат. Отмеченные недостатки принципиаль­ны для «Полимир-50» как крупнотоннажного производства.

При создании АСУ «Полимир» к ней предъявляли следую­щие требования:

система должна быть эволюционирующей, с гибкими алго­ритмической и технической структурами; это требование обу­словлено необходимостью поэтапного ввода ее в эксплуатацию-и возможными изменениями при совершенствовании техноло­гии производства и алгоритмов управления;

система должна строиться по иерархическому принципу с декомпозицией общей задачи ^управления; это необходимо» для обеспечения высокой надежности управления крупнотон­нажным производством;

должны максимально использоваться современные алго­ритмы управления и контроля (например, построенные с по­мощью адаптивных математических моделей процесса), что да­ет основной эффект от применения АСУ;

математическое обеспечение АСУ (собственно алгоритмы и связи между ними) должно быть максимально унифицирова­но для возможной эволюции системы.

Указанные требования были положены в основу создания-функциональной, алгоритмической и технической структур АСУ «Полимир» и структуры ее математического обеспечения.

АСУ «Полимир» построена по иерархическому принципу. В ее состав входят: традиционные системы автоматики, обес- определенными потерями: получением некоторого количества некондиционного продукта и дополнительными расходами сырья — этилена. Избежать этих потерь полностью не удается однако они могут быть минимизированы путем составления оп­тимального плана-графика работы установки, устанавливающе­го последовательность выпуска различных марок полиэтилена и оптимальные пути переходов. К значительным потерям при­водят также аварийные остановки процесса, которые могут воз­никать из-за нарушений технологического регламента и воз­можной неустойчивости процесса.

Таким образом, система управления работой агрегата па производству полиэтилена должна обеспечить выпуск заданной номенклатуры (марок) продукта при требуемой производитель­ности и повышение эффективности функционирования процесса» Эти достаточно общие цели функционирования АТК в дальней­шем конкретизируются на примере крупнотоннажной установки «Полимир-50» в соответствии с методикой, кратко изложен­ной в гл. 7.

Рис. 8.9. Функциональная структура реализации задачи «Обеспечение задан­ной производительности установки»

печивающие измерение и стабилизацию основных параметров процесса; информационно-вычислительный комплекс (ИВК), обеспечивающий централизованный сбор, обработку, представ­ление информации и рекомендаций оператору, а также выра­ботку управляющих воздействий на объект; технолог-оператор, выполняющий настройку процесса и принимающий решение при сложных неформализуемых ситуациях в ходе процесса. Функционально-алгоритмическая структура АСУ. Для синтеза функционально-алгоритмической структуры, реализуемой с по­мощью ИВК, проведем декомпозицию целей функционирования автоматизированного технологического комплекса. При этом будем рассматривать следующие группы целей (вытекающие из сформулированных выше задач обеспечения заданной произво­дительности, заданного качества полимера и повышения эф­фективности функционирования процесса): обеспечить задан­ную номенклатуру (качество) выпуска продукта; обеспечить заданную производительность АТК; повысить надежность функ­ционирования АТК; повысить экономичность АТК; обеспечить гибкую связь различных организационных уровней управления; обеспечить возможность развития (эволюционируемость) АСУТП.

В соответствии с принятой методикой приведем пример по­следовательной декомпозиции двух первых из указанных целей (задач). Декомпозиция и конкретизация целей функционирова­ния осуществляется, как отмечалось, с учетом организационной структуры управления объектом. Для установки «Полимир»-можно выделить три уровня (рис. 8.8): I — управления произ­водством полиэтилена в целом; II — управления установкой;, III — оперативного управления технологическим процессом.

Каждая из общих групп целей решается на верхнем уровне иерархии — управления производством, подцели решаются на уровне управления установкой и, наконец, частные цели — на третьем, нижнем уровне — оперативного управления процессом. Реализация общей цели (задачи) — «Обеспечить заданную но­менклатуру (качество) продукта» — включает следующие под­цели (1, 2, 3) и частные цели (в скобках):

1. Обеспечить безотказность работы АТК (обеспечить диа­гностику технологического оборудования и средств АСУТП; оп­ределить время безотказного пробега технологического обору­дования и средств АСУТП);

2. Обеспечить оптимальный план-график выпуска марок, продукта (соблюдать оптимальный план-график выпуска марок: полимера);

3. Обеспечить соблюдение технологического режима, соот­ветствующего заданному качеству продукта (обеспечить конт­роль качества, прогноз качества, необходимое управление пе­ременными в стационарных режимах; минимизировать время-переходных процессов, при которых производится некондицион­ный продукт).

На рис. 8.9 в качестве примера приведена структура деком­позиции рассмотренной задачи обеспечения заданной произво­дительности установки с учетом уровней организационной структуры.

В результате такой декомпозиции всех приведенных общих целей функционирования АСУТП формируется комплекс част­ных подцелей. На их основе составлена обобщенная функцио­нальная структура системы АСУТП «Полимир». Перечень ос­новных функций приведен ниже.

Сбор и первичная обработка информации: опрос датчиков; фильтрация; коррекция расходов; первичная проверка досто­верности информации; сравнение переменных с уставками.

Расчет, анализ и принятие решений: проверка достоверно­сти информации; анализ отклонений переменных- расчет комп­лексных показателей; определение марки полиэтилена (ПЭ); диагностика состояния оборудования: контроль устойчивости процесса; контроль и прогноз производительности; контроль и прогноз качества ПЭ; прогнозирование аварийных остановов; расчет ТЭП; расчет оптимальных режимов; исследование про­цесса.

Представление информации: отказ КИПиА; нарушения тех­нологического регламента; температурный профиль в реакто­ре; изменения переменных во времени; значения измеряемых и рассчитываемых переменных ТЭП; результаты анализа и прогнозов показателей процесса; рекомендации по управлению;

Рис. 8.10. Сравнение расчетной (1) и экспериментальной (2) производитель­ности трубчатого реактора в стационарном (а) и переходном (б) режимах

оптимальный план работы установки; аварийные ситуа­ции; результаты исследования процесса.

Отдельные алгоритмы системы разрабатываются на основе детализированной функциональной структуры, отражающей взаимосвязь функций. Пример такой структуры для одной из указанных выше общих задач — «Обеспечение заданной про­изводительности установки» — приведен на рис. 8.9.

Детализированные функциональные структуры позволяют переходить к следующему этапу синтеза системы (см. рис. 7.6) — распределению функций между средствами КИПиА, технологом-оператором и ЭВМ. В задачи средств КИПиА вхо­дят измерения и контроль параметров процесса. Более слож­ные функции, связанные с формированием общего представле­ния о функционировании отдельных частей и установки в це­лом (расчет ТЭП, диагностика оборудования, прогнозирование аварийных ситуаций и т. д.), реализуются с помощью ЭВМ. К этой группе относится большая часть функций АСУТП «По­лимир». Наконец, решение задач, плохо формализуемых на данном этапе знаний о процессе, а также в ряде случаев окон­чательное принятие решения по управлению выполняет техно­лог-оператор.

Синтез технической структуры АСУТП «Полимир» осу­ществляется с учетом полного объема функций, реализуемых системой. При этом наиболее сложен синтез технической струк­туры управляющего вычислительного комплекса (объем памя­ти, вычислительные возможности число периферийных уст­ройств выбирают с учетом будущего развития системы), а так­же требований к ней по надежности и точности).

Рассмотрим более подробно структуру УВК в АСУТП «Полимир». Техническая структура УВК аналогична приведен­ной на рис. 6.6,0. Выбор УВК осуществлялся, как отмечалось, на основе детализированных для каждой из целей функцио­нальных структур системы. При этом было принято, что функ­ционирование объекта при отказах УВК недопустимо, поэтому традиционные средства КИПиА вхоДйт в Состав АСУТП в та­ком объеме, чтобы обеспечить безаварийный останов производ­ства в случае отказа УВК. Естественно, что это потребовало принятия специальных мер для повышения надежности при вы­боре УВК. За основу была принята система, состоящая из двух вычислительных комплексов, связанных между собой с по­мощью устройств межмашинной связи.

Пусковой комплекс АСУ. При ранжировке выполняемых с по­мощью УВК функций по очередности их реализации первым был поставлен пусковой комплекс функций, объединяющий за­дачи, без решения которых невозможна работа объекта. Пу­сковой комплекс реализуется с помощью ВК-1, а на ВК-2 ре­шаются задачи, названные вторичной обработкой информации (ВОЙ), позволяющие повысить эффективность функциониро­вания объекта (см. рис. 6.6,в). При отказах ВК-1 выполнение функций пускового комплекса автоматически переключается на ВК-2, который.при этом перестает решать задачи ВОЙ; тем самым обеспечивается повышенная надежность реализации функций пускового комплекса.

В состав пускового комплекса функций АСУТП «Полимир» входят: сбор и первичная обработка информации; представле­ние информации оператору; протоколирование хода и различ­ных показателей процесса; сигнализация о нарушениях в тех­нологическом процессе.

Сбор и первичная обработка информации. В соответствии с этой функцией обеспечивается сбор и первичная обработка аналоговой и дискретной информации, поступающей с объекта через устройство связи с объектом (УСО). Система осуществ­ляет следующие виды обработки: масштабирование; фильтра­цию методом экспоненциального сглаживания; линеаризацию шкал датчиков; коррекцию расходов газа и пара на условия измерения; вычисление средних значений параметров за задан­ные интервалы времени; проверку параметров на технологиче­скую достоверность; сравнение параметров с режимными устав­ками; суммирование число-импульсных сигналов.

Такие виды обработки являются достаточно общими для разных процессов (см. гл. 3).

Общее количество обрабатываемых в УВК аналоговых сиг­налов в АСУ «Полимир» равно 500, число-импульсных сигна­лов (от весов и датчиков расхода электроэнергии) — 10. В си­стеме осуществляется ввод и обработка инициативных дискрет­ных сигналов от системы аварийной защиты и блокировки для инициирования программы протоколирования предаварийной ситуации.

Представление информации оператору включает контроль по вызову на экране дисплея группы- параметров; сигнализацию на экране дисплея номеров групп, в которых произошли откло­нения; индикацию на экране дисплея температурного профиля по длине реактора. Дисплеи установлены в операторском помещении. Вызов параметров ведется по группам. Максимальное число групп равно 60, в каждой группе может быть до 10 параметров. В со­став выводимой на экран информации входят: наименование технологического агрегата и номер группы; идентификатор (но­мер) технологического параметра и единицы его измерения; те­кущее и регламентированное значения параметра; значения технологических и аварийных границ для каждого параметра; тенденция изменения параметра во времени.

Продолжительность цикла обновления информации на дис­плеях составляет 5 с. Вызов той или иной группы параметров на экран осуществляется оператором с помощью клавиатуры дисплея.

При отклонении параметров от допустимых значений на эк­ране дисплея высвечивается номер группы, в которой произош­ло отклонение. При вызове этой группы на экран дисплея от­клонившийся параметр выделяется интенсивностью свечения. Проверка на допустимость отклонений осуществляется для 400 параметров.

Важной задачей контроля процесса является индикация профиля температур в реакторе на экране цветного дисплея. При этом кроме эпюры температуры реакционной смеси по длине реактора на экран автоматически выводятся в цифровой форме максимальное значение температуры в каждой из зон реактора и эпюра температуры охлаждающей жидкости в ру­башке реактора. Отклонения температур выделяются цветом. Общее число индицируемых температур — 80. Продолжитель­ность цикла обновления информации — 1 с.

Протоколирование позволяет вести полный и достоверный контроль за работой установки с помощью цифровой регистра­ции на печатающих устройствах. Это обеспечивает необходи­мую документацию о ходе процесса и освобождает операторов от трудоемкой работы по ведению записей в сменных журна­лах. Кроме того, предусмотрено запоминание информации на магнитных лентах и дисках.

В системе осуществляется печать следующих протоколов:

производственного, фиксирующего средние часовые значе­ния основных параметров процесса по агрегатам и отделениям в каждой смене; этот протокол фиксирует также результаты лабораторных анализов, которые вводятся в УВК, и расчетных показателей процесса; общее число параметров в производст­венном протоколе — 80;

группового, в котором оператор имеет возможность прото­колировать с периодом от 1 до 30 мин любую из групп пара­метров; запрос на протоколирование и его цикл задаются с клавиатуры дисплея;

пускового; при пуске установки и переходе с одного режима на другой оператор может вызвать автоматическую печать пу­скового протокола; запрос на протоколирование и его периодичность задаются с клавиатуры дисплея; число параметров в пусковом протоколе — 75;

протокола неисправности КИП; по вызову оператора осу­ществляется печать всех неисправных на данный момент изме­рительных точек КИП;

сменного протокола нарушений, фиксирующего все происшедшие за смену нарушения в ходе процесса по каждому из параметров; регистрируются моменты нарушения параметра и вхождения его в норму; протокол выводится автоматически в конце каждой смены; приводится сообщение о состоянии па­раметров к началу следующей смены;

протокола пред аварийных ситуаций, служащего для выявле­ния причин аварий и анализа процесса; реализация этой функ­ции осуществляется путем непрерывного циклического запоми­нания на скользящем интервале времени текущих значений наиболее важных технологических параметров с последующим их протоколированием. При появлении инициативного сигнала об аварии на объекте через 5 с процесс циклического запоми­нания прекращается, и по вызову технолога-оператора с кла­виатуры дисплея выводится на печать либо весь протокол, ли­бо информация по какому-либо из агрегатов в виде последо­вательности значений параметров, совмещенных с временной шкалой;

протокола комплексных показателей процесса; в рамках пу­скового комплекса обеспечивается расчет и периодическое про­токолирование обобщенных показателей процесса (ТЭП, ха­рактерные значения температурного профиля в реакторе, пере­пады давлений на участках технологического процесса и др.). Кроме изложенных выше функций в рамках пускового комп­лекса АСУТП «Полимир» реализуются функции контроля и управления реактором полимеризации, выполняемые с помощью аналого-цифрового вычислительного устройства, названного . главный регулятор. Это устройство имеет связь также с основ­ным УВК АСУТП, что позволяет изменять задания ему по ре­зультатам расчетов в ЭВМ.

Функции вторичной обработки информации. После внедрения и освоения функций пускового комплекса выполняются задачи вторичной обработки информации [14]. Часть из них приведе­на на рис. 8.8, 8.9. Алгоритмы ВОЙ разрабатывались на основе экспериментального и аналитического исследования объекта.

Характерная особенность внешнего программного обеспече­ния АСУ «Полимир» — широкое использование математических моделей процесса при разработке алгоритмов контроля и уп­равления установкой. Применение математической модели, ра­ботающей в одном темпе с процессом, позволяет оперативно определить такие важные показатели эффективности работы установки, как производительность реактора и качество полу­чаемого продукта. При определении этих показателей с по­мощью традиционных средств измерения и лабораторных ана лизов запаздывание составляет от 1 до 4 ч, поэтому такую ин­формацию, конечно, нельзя использовать для оперативного уп­равления процессом. Кроме того, с помощью математической модели процесса прогнозируется «запас устойчивости» в веде­нии процесса (см. гл. 2).

В качестве примера рассмотрим алгоритм расчета произво­дительности реактора на установке «Полимир-50». Оператив- -ный расчет производительности осуществляется для каждой зо­ны реактора с помощью упрощенной модели процесса, пред­ставляющей собой уравнения материального баланса для мономера и инициатора:

(8.18)

(8.19)

где у\ — концентрация мономера; Уч — концентрация инициатора; Р — дав­ление; в — температура реакционной смеси; / — текущая длина реактора, 0^/^L; L — длина зон реактора; ai — a_t, k_h k₂ — постоянные коэффициенты^

Первоначально проводится опрос основных точек измере­ния по каждой зоне реактора (давление, дискретный темпера­турный профиль по длине каждой зоны, расход инициатора, по­ложение клапана, регулирующего соотношение расходов свеже­го этилена в каждую зону). Данные этих измерений используют для расчета и проверки достоверности информации. На основа­нии измерений рассчитывают концентрации инициатора на вхо­де в каждую зону реактора и задают начальные условия для интегрирования системы уравнений (8.18), (8.19). Затем тем­пературный профиль, измеренный в ряде точек по длине реак­тора, аппроксимируют полиномом. Коэффициенты полинома определяют методом наименьших квадратов так, чтобы мини­мизировать сумму среднеквадратичных отклонений значений полинома от температуры в точках измерения. Далее уравне­ния (8.18), (8.19) интегрируют методом Эйлера по длине каж­дой из зон и определяют суммарную производительность реак­тора по обеим зонам. Значения температуры в правых частях уравнений на каждом шаге интегрирования рассчитывают no-полученному при аппроксимации полиному.

Программа расчета производительности реактора работает в составе АСУ в реальном масштабе времени. Продолжитель­ность цикла расчета — 5 мин. Графики расчетной и экспери­ментально измеренной производительности (с учетом запазды­вания в измерении) приведены на рис. 8.10.

Результаты расче­та выводятся на дисплей оператору-технологу и используются для настройки процесса на максимальную производительность (с учетом ограничений по качеству продукта).

Программное обеспечение АСУ «Полимир». В основу построе­ния программного обеспечения (ПО) положен агрегатный прин­цип, позволяющий реализовать алгоритмы контроля и управ­ления поэтапно и при необходимости вносить изменения в функ­ционирующие программы.

Внутреннее ПО системы построено на основе АСПО. Внеш­нее ПО включает программы первичной обработки информации ^Г(ПОИ) и программы потребителей, обеспечивающие выполне­ние функций АСУ. Для большей гибкости системы, как уже от­мечалось, она построена по агрегатному принципу с унифика­цией внешних связей между отдельными ее компонентами. Си­стема ПОИ состоит из ряда таблиц или списков, содержащих исходные данные для работы отдельных программных модулей, обрабатывающих эти таблицы (см. рис. 7.5). Данные в табли­цах могут быть легко изменены. Программные модули нельзя оперативно изменять и их функции близки к функциям внут­реннего программного обеспечения.