6.4 «Розумна» виробнича система для керування установкою каталітичного крекінгу

В даному параграфі розглядаються питання реалізації системи керування установкою каталітичного крекінгу нафтопереробного заводу, основаної на нечіткій продуктивній моделі. Технологічна схема установки каталітичного крекінгу представлена на рис. 6.14.

Установка каталітичного крекінгу, призначена для переробки вакуумного відгону, включає в себе наступні технологічні агрегати: піч Т20 для нагріву сировини; регенератор Р2 для відновлення активності каталізатора; реактор Р1 каталітичного крекінгу; ректифікаційну колону К21 для розділення отримуваних продуктів; газосепаратор Е31, в якому розділяються цільові продукти – бензин і газ, та інші апарати.

Ціль каталітичного крекінгу – отримання високооктанового авто бензину з більш важких дистилятів, які виробляються при атмосферній і вакуумній перегонці.

Структура системи керування. Схема даної структури управління показана на рис. 6.15. Блок діалогового процесора забезпечує оператору інтерактивний режим роботи, в ході якого при необхідності реалізуються: вивід на монітор технологічної інформації про стан об’єктів керування; вивід на монітор значень керуючих параметрів; коректування з клавіатури монітора нечітких продукцій в базі знань; ручне керування об’єктом з клавіатури монітора; занесення різного роду інформації в інформаційний банк (шкали технологічних параметрів, значення уставок і т.д.).

Рисунок 6.14 – Технологічна схема установки каталітичного крекінгу

Блок виводу реалізує процедури синтезу нечітких множин на основі інформації, отримуваної з блоку регулювання і вимірювання, інформаційного банку і бази знань, а також проводить логічний (композиційний) вивід. В свою чергу, блок регулювання і вимірювання здійснює опитування давачів технологічних параметрів, аналого-цифрове і цифро-аналогове перетворення сигналів, первинну їх обробку, реалізацію різноманітних законів регулювання, видачу керуючих дій на об’єкт. База знань складається набору нечітких продукцій і служить для вирішення задачі знаходження оптимального режиму введення технологічного процесу. На питанні конструювання подібної бази знань зупинимося детальніше.

База знань системи. Як показали дослідження, процес каталітичного крекінгу проходить в умовах часто змінюваних збурень зі сторони якісних характеристик сировини, а також практично неконтрольованої активності каталізатора. Наявна

Рисунок 6.15 – Структура системи управління

ж інформація про склад використовуваної сировини в вигляді окремих точок фракційного складу несе в собі досить поверхневу інформацію про хімічний склад сировини.

В цих випадках результати вирішення задачі оптимізації, отримані на базі стохастичних та інших моделей, виявляються не завжди прийнятними з точки зору їх практичної реалізації, тому широкі можливості в реальних умовах відкриває пропонований метод керування, оснований на застосуванні нечіткої моделі. Опис об’єкта або база знань системи в цьому випадку задається у вигляді набору нечітких продукцій виду:

ЯКЩО х є А ТО у є В,

де є нечіткими множинами вхідних і вихідних, параметрів установки відповідно. Кожне таке правило визначає одне або декілька еквівалентних станів об’єкту, зафіксованих технологами-експертами, в яких управління з урахуванням реальних умов буде досить близьким до оптимального.

При розробці нечіткої продукційної моделі установки каталітичного крекінгу були знайдені найбільш інформативні параметри, що характеризують якість ведення процесу, а також параметри, за допомогою зміни яких здійснюється управління. Необхідні дії, що управляють, при такій постановці завдання визначають як по вхідних збурюючих параметрах X (якісні характеристики сировини), так і по вихідних параметрах об’єкту Y – в даному випадку по мірі перетворення сировини закоксованості каталізатора. У свою чергу, міра перетворення сировини характеризується глибинами відбору бензину і газу.

Як вхідні параметри моделі прийняті: Х₁ – відношення витрати газу до бензину; Х₂ – сумарна глибина відбору бензину і газу, % до сировини; Х₃ – температура початку кипіння сировини, % відгону до 350°С; Х₄ – закоксованність каталізатора, %. Як вихідні параметри моделі прийняті: Y₁ – температура середини реактора, °С; Y₂ – температура середини регенератора, °C; Y₃ – витрата циркулюючого каталізатора, т/год.; Y₄ – витрата сировини, т/год.

При конструюванні самої нечіткої продукційної моделі перераховані технологічні параметри інтерпретуються як лінгвістичні змінні виду

де , – універсуми;

(6.57)

– нечіткі множини, описувані функціями приналежності – розширені терм-множини однойменних по назвах параметрів лінгвістичних змінних, відповідно для входу і виходу установки; j, k – індекси відповідних номерів лінгвістичних термів, що задаються в табл. 6.4.

Таблиця 6.4

Лінгвістична змінна
								j, k
Норма	Нижче норми	Нижче норми	Норма	Значно нижче норми	Норма	Значно нижче норми	Значно нижче норми	0
Вище норми	Норма	Норма	Вище норми	Нижче норми	Вище норми	Нижче норми	Нижче норми	1
–	–	Вище норми	–	Норма	–	Норма	Норма	2
–	–	–	–	Вище норми	–	Вище норми	Вище норми	3
–	–	–	–	Значно вище норми	–	Значно вище норми	Значно вище норми	5

Для вхідних параметрів і параметрів, які визначають необхідність зміни режиму, вибрані значення, приведені в табл. 6.5.

Таблиця 6.5

Параметр	Лінгвістичний терм
	Нижче норми	Норма	Вище норми
Х1, – Х2, % Х3, °С Х4, %	– <45 ≤–6 <0,16	<0,16 ≥45 >–6, <+6 ≥0,16	≥0,16 – ≥+6 ­

Для керуючих параметрів експериментальним шляхом були визначені еквівалентні в деякому розумінні значення тобто відносно рівнозначні прирости, забезпечуючі попадання в оптимальну область або на оптимальну траєкторію управління (табл. 6.6).

Таблиця 6.6

Параметр	Лінгвістичний терм
	Значно ни­жче норми	Нижче норми	Норма	Вище норми	Значно ви­ще норми
Y1, °С Y2, °С Y3, т/год. Y4, т/год.	Y1ном–12 – Y3ном–60 Y4ном–12	Y1ном–6 – Y3ном–30 Y4ном–6	Y1ном Y2ном Y3ном Y4ном	Y1ном+6 Y2ном+12 Y3ном+30 Y4ном+6	Y1ном+12 – Y3ном+60 Y4ном+12

Тут – нормальні (номінальні) значення керуючих операторів. У табл. 6.7 приводиться фрагмент продукційної моделі. Використовувана в таблиці лінгвістична змінна «Ступінь перетворення сировини» у свою чергу, визначається набором нечітких продукцій виду:

Р1 = ЯКЩО в нормі І нижче норми ТO низька,

Р2 = ЯКЩО вище норми І в нормі ТO висока.

Лінгвістична змінна «Ступінь перетворення сировини» характеризується набором лінгвістичних термів виду: {низька, оптимальна, висока}. З врахуванням того, що нечітка множина

(6.58)

правило нечіткого умовного виводу для визначення значення нечіткої множини прийме наступний вигляд:

Таблиця 6.7

Параметри, які характе­ризують ситуацію (вхідні)			Необхідні керуючі впливи (вихідні)
Оптима­льна Висока Низька Оптима­льна Висока Низька	Норма Нижче норми Вище норми Норма Нижче норми Вище норми Норма Нижче норми Вище норми Норма Нижче норми Вище норми Норма Нижче норми Вище норми Норма Нижче норми Вище норми	Норма » » » » » » » » Вище норми » » » » » » » »	Норма Вище норми Нижче норми » Норма Значно нижче норми Вище норми Значно вище норми Норма Норма Вище норми Нижче норми » Норма Значно нижче норми Вище норми Значно вище норми Норма	Норма » » » » » » » » Вище норми » » » » » » » Норма	Норма » » » » » » » » Нижче норми » » » » » » » »	Норма Нижче норми Вище норми » Норма Значно вище норми Нижче норми Значно нижче норми Норма Норма Нижче норми Вище норми » Норма Вище норми Нижче норми Значно нижче норми Норма

(6.59)

де – операція максимільної композиції; – нечітке бінарне відношення; – універсум, який відповідає нечіткій множині ; операція імплікації (див. §2.3).

Нечітка продукційна модель («база знань») системи керування установкою каталітичного крекінгу, яка складається з 118 продукцій (в відповідності з табл. 6.7), записується як:

ЯКЩО оптимальна І в нормі І в нормі ТО в нормі

АБО в нормі АБО в нормі АБО в нормі

І

.

.

.

І

ЯКЩО висока І вище норми І в нормі ТО значно нижче норми АБО в нормі АБО в нормі АБО значно вище норми

І

.

.

.

І

ЯКЩО низька І вище норми І вище норми ТО в нормі АБО в нормі АБО в нормі АБО в нормі.

Подібна продукційна модель на мові нечітких бінарних відношень має вигляд

(6.60)

де – нечіткі множини виду (6.57) і (6.58), які відповідають значенням нечітких множин і

індекс

Таким чином, композуючи нечіткі множини вхідних параметрів які відповідають поточним вимірювальним значенням вхідних технічних параметрів, визначаємо нечіткі множини поточних керуючих впливів тобто

Для переходу до числових значень керуючих параметрів використовується наступне відношення:

Таблиця 6.8

Найменування лінгвістичних змінних	Область зміни параметрів	Рівні квантування	Функції приналежності
Температура в реакторі Y1	486–512°	Нижче норми (486–492°)
		Нижче норми (492–498°)
		Норма (498–500°)
		Вище норми (500–506°)
		Значно вище норми (506–512°)
Температура в регенераторі Y2	700–714°	Норма (700–702°)
		Вище норми (702–714°)
Витрата цир­кулюючого каталізатора Y3	340– 430 т/год	Надзвичайно нижче норми (340–370°)
		Значно нижче норми (370–385 т/год)
		Нижче норми (385–400 т/год)
		Норма (400 т/год)
		Вище норми (400–415 т/год)
		Значно вище норми (415–430 т/год)
	380– 430 т/год	Значно нижче норми (380–390 т/год)
		Нижче норми (390–400 т/год)
Продовження табл. 6.8
Найменування лінгвістичних змінних	Область зміни параметрів	Рівні квантування	Функції приналежності
		Норма (400 т/год)
		Вище норми (400–410 т/год)
		Значно вище норми (410–420 т/год)
Витрата сировини на установку Y4	94– 118 т/год	Нижче норми (94–100 т/год)
		Норма (100 т/год)
		Вище норми (100–106 т/год)
		Значно вище норми (106–112 т/год)
		Надзвичайно вище норми (112–118 т/год)
	94– 106 т/год	Значно нижче норми (94–97 т/год)
		Нижче норми (97–100 т/год)
		Норма (100 т/год)
		Вище норми (100–103 т/год)

З врахуванням інерційності характеристик перехідних процесів по каналах керування (час перехідних процесів в залежності від технологічного режиму коливається від 80 до 120 хв.) інтервал між черговим рішенням задачі пошуку оптимального режиму був прийнятий рівним 2 год. Система реалізована на ЕОМ «СМ-4». Економічний ефект від її впровадження на Ново-Бакінському нафтопереробному заводі ім. Володимира Ілліча склав 444 тис. руб/год.