Исследование и разработка системы управления процессом получения алкидных смол

Актуальность темы

Целью автоматизации является повышение качества ведения технологического процесса, его оптимизация. Разработка и применение современных управляющих систем способны дать реальный экономический эффект и стабилизировать качество процесса.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с повышением качества и производительности выпуска алкидных смол. На основе алкидных смол выпускается большое количество конечной продукции, например, лаки, краски, эмалипоэтому качество смол должно удовлетворять нормам. Алкидные смолы производятся в реакторе полиэтерификации периодического действия при температуре 240−260°С и давлении 0,8 МПа, в течение 12−24 часов (в зависимости от сорта и марки смолы) под действием реакции полиэтерификации. В виду ее высокой экзотермичности не обеспечивается стабильности процесса, что, в свою очередь, влияет на качественные показатели смолы. На выход продукта и его характеристики влияет часто меняющийся состав сырья и соотношение компонентов в реакционной смеси. Время, затраченное на разогрев, влияет на производительность установки, то есть сложность обеспечения нужного температурного режима является одной из причин снижения качества алкидных смол.

Исследования по совершенствованию химико-технологического процесса в химическом реакторе проводили: Слинько М. Г., Островский Г. М., Волин Ю. М. [1, 2] и др. Были изучены труды ведущих специалистов в области промышленного производства лаков и красок: Лившица М. Л., Паттона Т. К., Пэйна Г. Ф., Горловского И. А., Кочнова З. А., Манусова Е. Б. [3, 4, 5, 6, 7, 8] и др. Однако вопросы оптимизации температурного режима реактора полиэтерификации периодического действия на стадии разогрева и следующей за ней стадией полиэтерификации рассмотрены недостаточно.

В настоящее время данное производство отличается тем, что не обеспечивает выход продукта должного качества по следующим показателям (на основе экспериментальных данных): выход алкидной смолы в пределах 66−91%, цвет алкидной смолы колеблется от 100 до 160 мг12 /100л<�л, кислотное число алкидной смолы колеблется от 35 до 110/2/100г. Данные показатели должны быть в пределах: выход алкидной смолы (90−100%), цвет (130−140мг12 /100мл), кислотное число (55/2 /ЮОг).

Повышение качества может быть достигнуто совершенствованием процесса разогрева реакционной смеси, что требует оптимизации его проведения в условиях минимального времени и исключения выхода за зоны допустимого стабильного режима.

Сложность проведения исследований по определению оптимальных характеристик при варьировании параметров, ставит необходимостью составление математических моделей процесса и дальнейшее решение задачи оптимизации на их основе.

Итак, на сегодняшний день остаются важными: решение задачи качества алкидных смол, что требует учета состава сырья и длительности процесса, а также создание наиболее точной математической формулировки задачи оптимизации процесса получения алкидных смол, отыскание соответствующего эффективного способа решения задачи, и разработка программных комплексов, облегчающих вычислительный эксперимент.

Все это определяет актуальность поставленной задачи по разработке оптимальной системы управления процессом получения алкидных смол.

Цель работы. Повышение эффективности работы реактора полиэтерификации периодического действия путем поиска оптимальных режимов проведения различных этапов процесса.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выявлены особенности процесса полиэтерификации с постановкой задач эффективного управления.

2. Разработаны и исследованы математические модели процесса получения алкидных смол, учитывающие взаимосвязь параметров проведения процесса полиэтерификации с параметрами качества получаемой смолы.

3. Произведена оптимизация процесса разогрева реакционной смеси, что характеризуется минимальным временем протекания данной стадии и исключением выхода за зоны допустимого температурного режима.

4. Выполнена стабилизация температурного режима процесса полиэтерификации с учетом нелинейного характера тепловыделения в ходе процесса с последующей оптимизацией качества продукта.

5. Определены взаимосвязанные регуляторы (в виде программного продукта) для решения поставленных задач эффективного управления.

6. Предложен и исследован обобщенный критерий управления.

7. Составлен общий алгоритм управления стадиями полиэтерификации.

Методы исследования. В процессе решения поставленной задачи в работе использовались: методика экспериментальных данных, апробированная Марковой Е. В. 9], метод оптимизации для нахождения оптимальных значений технологических параметров процесса полиэтерификации, который выполнялся апробированным методом Розенброка [10]. Расчет коэффициентов для математических моделей проводился в математическом пакете МАТЬАВ [11], в котором реализован метод наименьших квадратов, поисковый алгоритм Левенберга-Марквардта.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Получены адекватные математические модели процесса полиэтерификации алкидных смол, представляющие собой уравнения регрессии, отличающиеся тем, что учитывают взаимосвязь не только параметров проведения процесса полиэтерификации, но и качества получаемой смолы от концентраций основных компонентов фракционного состава сырья.

2. Показана необходимость применения взаимосвязанных регуляторов на стадии загрузки сырья для учета его состава, на стадии разогрева для быстрого разогрева и плавного перехода в режим стабилизации температуры и для точной стабилизации температуры в условиях неравномерного тепловыделения на стадии полиэтерификациии разработан алгоритм их взаимосвязанной работы.

3. Показано, что оптимальное управление реактором полиэтерификации на стадии разогрева должно быть организовано по траектории, имеющей форму двух сопряженных парабол.

4. В связи с неравномерным тепловыделением предложен алгоритм адаптивного управления стадиями периодического процесса в реакторе полиэтерификации, обеспечивающий точную стабилизацию температуры.

Практическая значимость и реализация результатов работы. По результатам диссертационной работы определена структура системы эффективного управления процессом полиэтерификации, которая нашла практическое применение при эксплуатации автоматизированной системы управления на ООО «Корунд» г. Дзержинск и реализована в виде программного обеспечения.

Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках дисциплин «Моделирование систем управления» и «Автоматизация технологических процессов и производств» кафедры «Автоматизация и информационные системы» Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического • университета им. Р. Е. Алексеева.

Апробация работы. Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались на XXII и XXIII Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях».

Иваново, 2009 г. и Белгород, 2010 г.), на XVIII Всероссийской конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Нижний Новгород, 2008 г.), на VIII Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2009 г.), на XV и XVI Международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии -2009» (Нижний Новгород, 2009 г.) и «Информационные системы и технологии — 2010» (Нижний Новгород, 2010 г.), на VII, VIII, IX Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2008, 2009, 2010 годы), на Международной научной конференциии «Фундаментальные и прикладные исследования» (Бразилия, Рио-де-Жанейро, 2009 г.) и на Международной научной конференциии «Современные наукоемкие технологии» (Испания, Тенерифе, 2010 г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 20 печатных работав т.ч. 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты анализа особенностей процесса полиэтерификации, показавшие необходимость оптимизации температурного режима процесса.

2. Математические модели процесса получения алкидных смол, учитывающие взаимосвязь параметров проведения процесса полиэтерификации и концентраций основных компонентов, составляющих фракционный состав сырья, с параметрами качества получаемой алкидной смолы.

3. Результаты математического моделирования оптимизации системы управления и выбора обобщенного критерия оптимизации.

4. Алгоритм адаптивного и программно-логического управления температурным режимом в реакторе периодического действия получения алкидной смолы.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.

В первой главе «Современное состояние в области управления процессом получения алкидных смол» выполнен анализ технологического процесса производства алкидной смолы и рассмотрен уровень его автоматизации. Сформулирована общая схема математического моделирования, а также перечислены различные типы математических моделей. Описан этап теоретической оптимизации процесса на основе кинетической модели. Рассмотрена общая постановка задачи оптимального управления с различными критериями оптимизации, методы решения оптимизационных задач.

Был произведен анализ процесса полиэтерификации и реактора, участвующего в данном процессе. В результате, установлена важность минимизации времени протекания стадии разогрева реакционной смеси и исключение выхода за зоны допустимого температурного режима, а также показана необходимость стабилизации температурного режима процесса полиэтерификации с учетом нелинейного характера тепловыделения в ходе процесса. По результатам проведения данного анализа, поставлена цель нахождения режимов оптимизации процесса. Определен перечень решаемых задач для достижения поставленной цели.

Во второй главе «Идентификация процесса производства алкидных смол как объекта управления» производится исследование объекта, как в статике, так и в динамике. Для изучения статических характеристик был принят статистический метод исследования и моделирования процесса полиэтерификации.

Для построения математических моделей в работе используется математический пакет МАТЪАВ, в котором реализован метод наименьших квадратов, поисковый алгоритм Левенберга-Марквардта.

Полученные модели используются при нахождении оптимальных значений температуры и длительности процесса полиэтерификации при решении настоящей задачи оптимизации получения алкидных смол. Данные модели являются адекватными (на основании критерия Фишера) и соответственно пригодными для прогнозирования значений выхода, цвета, температуры размягчения и кислотного числа алкидных смол.

Динамика процесса получения алкидной смолы рассмотрена на основе детерминированных моделей. Полная математическая модель реактора полиэтерификации включает материальный баланс по компонентам реакционной смеси, тепловой баланс реактора, тепловой баланс теплообменника (при заданных начальных условиях).

В данной главе была исследована статика и динамические режимы объекта. Был произведен анализ чувствительности моделей по каналам управления.

Третья глава «Оптимизация процесса получения алкидных смол» посвящена оптимальному управлению стадиями разогрева и полиэтерификации.) < V.

Корреляция между параметрами качества требует поиска I компромиссных решений, что обосновывает выбор критерия оптимальности. Эта задача решается эффективно за счет обобщенного критерия оптимизации в виде так называемой функции желательности.

Оптимизация процесса получения алкидной смолы состоит в том, чтобы при текущем составе исходной смеси (х1,х2,.хп) подобрать такую температуру (7) и длительность (/) процесса полиэтерификации, при которых обобщенный критерий (Г) имел бы максимальное значение.

Для решения задачи используется метод поиска нулевого порядка, в котором для определения направления р и величины шага к используется только значение целевой функции (метод Розенброка).

Также в данной главе рассматривается адаптивная система управления температурой процесса, предназначенная для компенсации нелинейного изменения в ходе тепловыделения. В ходе реакции полиэтерификации изменяется тепловыделение (заключение на основе динамических характеристик). Важно прогнозировать тепловыделение и компенсировать его с помощью адаптивной системы управления.

В четвёртой главе «Управление процессом получения алкидных смол» предлагаются основные решения по эффективному управлению реактором полиэтерификации с учетом стадий периодического процессазагрузка сырья, разогрев, реакция полиэтерификации.

Стадия загрузки определяет конечный состав многокомпонентной смеси в реакторе. От состава зависит выход продукта и его характеристики, поэтому необходима специальная адаптивная система управления для обеспечения оптимального состава исходной реакционной смеси при любых колебаниях качества исходного сырья. Исходя из этого, для управления стадией загрузки требуется: автоматический анализ состава сырьяпроизведение учета состава реакционной смесивычисление оптимального соотношения потоков сырья и регулирование этих потоков, для этого необходимо применение специального регулятора (тип PI-BLEND).

Стадия разогрева является подготовительной и для нее эффективной задачей будет достижение максимальной скорости разогрева с плавным переходом в режим стабилизации температуры при выходе на ее оптимальное значение. Сокращение затрат времени на разогрев означает увеличение производительности установки. Здесь обоснована необходимость применения специального регулятора для быстрого разогрева и плавного перехода в режим стабилизации температуры (тип PID-BSW).

На стадии реакции полиэтерификации важно выдерживать постоянную оптимальную температуру и время реакции. Такие особенности этой стадии, как экзотермическая реакция и постоянное изменение интенсивности тепловыделения из-за уменьшения концентрации реагентов в ходе полиэтерификации, затрудняют точную стабилизацию температуры, поэтому необходим специальный регулятор, учитывающий эти особенности (тип РЭ-МЯ в сочетании с Р1-НЫЗ).

Создан алгоритм взаимодействия предложенных регуляторов. В данной главе представлен программно-технический комплекс на базе микропроцессорного контроллера Знпайс 87−400, приведена структура подсистем программного обеспечения с подключением промышленного хроматографического комплекса.

Выводы.

В данной главе предлагаются основные решения по эффективному управлению реактором полиэтерификации с учетом стадий периодического процесса — загрузка сырья, разогрев, реакция полиэтерификации.

Показана необходимость применения взаимосвязанных регуляторов на данных стадиях, а именно:

— для автоматического анализа состава сырьяучета состава реакционной смесивычисления оптимального соотношения потоков сырья и регулирования этих потоков, необходимо применение специального регулятора типа PI-BLEND;

— для быстрого разогрева и плавного перехода в режим стабилизации температуры обоснована необходимость применения специального регулятора типа PID-B SW;

— для точной стабилизации температуры необходим специальный регулятор типа PD-MR в сочетании с PI-HLD.

Представлен алгоритм взаимодействия предложенных регуляторов.

В данной главе выполнен расчёт настроек ПИД-регулятора, который показывает полностью оправданное применение данного типа регулятора и удовлетворение поставленным задачам управления температурным режимом реактора полиэтерификации.

Также, создан программно-технический комплекс на базе микропроцессорного контроллера Simatic S7−400, приведена структура подсистем программного обеспечения с подключением промышленного хроматографического комплекса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом работы, изложенной в диссертации, стал синтез системы управления реактором полиэтерификации, который был выполнен в следующем порядке:

1. Проведен анализ особенностей процесса полиэтерификации с постадийной постановкой задач эффективного управления с оптимизацией.

2. На основе анализа различных критериев качества управления предложено использовать в качестве комбинированного критерия оптимизации обобщённую функцию желательности.

3. Обоснована необходимость адаптивной системы управления для стабилизации оптимальных значений технологических параметров.

4. Разработан алгоритм постановки технической задачи оптимизации системы и сформулирован общий подход оптимизации системы управления реактором полиэтерификации.

5. Решена задача оптимального управления переходным процессом изменения температуры в реакторе полиэтерификации как основного параметра установки на основе анализа дифференциальных уравнений, характеризующих динамику процесса, и уравнений статики, учитывающие особенности процесса производства алкидных смол.

6. Определены регуляторы (программный продукт) для решения поставленных задач эффективного управления и разработан алгоритм их взаимосвязанной работы.

7. Составлен общий алгоритм управления стадиями процесса.

8. Разработан программно-технический комплекс и предложен алгоритм взаимодействия программного обеспечения микропроцессорного контроллера, станции оператора и аналитического блока.

9. Полученные результаты диссертационной работы переданы на кафедру «Автоматизация и информационные системы» и на их основе создаются методические указания для студентов. Проектные решения и программное обеспечение передано на ООО «Корунд» для практического использования (см. приложение Е).