Самонастраивающаяся система автоматического цифрового управления ректификационной колонной

 

Изобретение относится к системам автоматического управления химико-технологическими процессами, в частности к процессам ректификации углеводородных смесей. Цель изобретения - повышение качества разделения продукта в ректификационной колонне и уменьшение энергозатрат за счет увеличения точности регулирования температуры на контрольной тарелке. Самонастраивающаяся система управления ректификационной колонной содержит ректификационную колонну, датчик расхода сырья, масштабирующий блок 3, сумматор, цифровой регулятор, регулирующий клапан подачи теплоносителя, датчик температуры на контрольной тарелке, задатчик температуры, датчик расхода теплоносителя. Цель изобретения достигается за счет введения цифроаналогового преобразователя, коммутатора, блока управления, аналого-цифрового преобразователя , трех блоков сопряжения, двух запоминающих устройств, блока оценивания параметров, функционального блока, блока совпадения. 4 ил. i (Л оо о: Oi 00 CD

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (51)4В01 D 3 24

ЗСРГ: . Р,„

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ г т:

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3974100/24-24 (22) 05.11.85 (46) 15.06.87. Бюл. ¹ 22 (7! ) Киевский политехнический институт им. 60-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В. Д Романенко, M. 3. Згуровский и П. И. Бидюк (53) 62-50 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 541483, кл. В 01 D 3/42, 1975.

Авторское свидетельство СССР № 1095921, кл. В Ol D 3/42, 1983. (54) САМОНАСТРАИВАЮЩАЯСЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННОЙ (57) Изобретение относится к системам автоматического управления химико-технологическими процессами, в частности к процессам ректификации углеводородных смесей.

Цель изобретения — повышение качества разделения продукта в ректификационной колонне и уменьшение энергозатрат за счет увеличения точности регулирования температуры на контрольной тарелке. Самонастраивающаяся система управления ректификационной колонной содержит ректификационную колонну, датчик расхода сырья, масштабирующий блок 3, сумматор, цифровой регулятор, регулирующий клапан подачи теплоносителя, датчик температуры на контрольной та релке, задатчи к тем пературы, датчик расхода теплоносителя. Цель изобретения достигается за счет введения цифроаналогового преобразователя, коммутатора, блока управления, аналого-цифрового преобразователя, трех блоков сопряжения, двух запоминающих устройств, блока оценивания параметров, функционального блока, блока совпадения. 4 ил.

1316689

Изобретение относится к системам автоматического управления химико-технологическими процессами, в частности к процессам ректификации углеводородных смесей.

Цель изобретения — повышение качества разделения продукта в ректификационной колонне и снижение энергозатрат за счет увеличения точности регулирования температуры на контрольной тарелке.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы; на фиг. 2 — блок-схема блока управления; на фиг. 3 — принципиальная схема технической реализации системы; на фиг. 4 — блок-схема управляющего алгоритма, характеризуюшего взаимодействие блоков всей системы.

Система содержит ректификационную колонну 1, датчик 2 расхода сырья, масштабируюший блок 3, сумматор 4, цифроаналоговый преобразователь 5, цифровой регулятор 6 с регулирующим клапаном 7 подачи теплоносителя, датчик 8 температуры на контрольной тарелке, коммутатор 9 аналоговых сигналов, задатчик 10 температуры, датчик 11 расхода теплоносителя, блок 12 управления, аналого-цифровой преобразователь 13, первый блок 14 сопряжения, первое запоминаюшее устройство 15, блок 16 оценивания параметров, второй блок 17 сопряжения, второе запоминающее устройство 18, первая шина 19 данных, первая шина 20 адреса, первая шина 21 управления, третий блок 22 сопряжения, функциональный блок

23, вторая шина 24 управления. вторая шина 25 адреса, блок 26 совпадения.

Блок управления содержит формирователь 27 сброса, RS-триггер 28, логический элемент ИЛИ 29, генератор 30 сигнала сброса, генератор 31 импульсов синхронизации, счетчик 32 импульсов.

Система на фиг. 3 включает в себя первый многорежимный буферный регистр ЗЗ, элемент НЕ 34, второй многорежимный буферный регистр 35, постоянное запоминающее устройство 36, третий многорежимный буферный регистр 37.

Система работает следующим образом.

Сигнал с датчика 2 поступает на масштабирующий блок 3, который реализует умножение на постоянный коэффициент.

С его выхода сигнал поступает на первый вход сумматора 4 в качестве постоянной составляюшей управляющего воздействия относительно расхода сырья. На второй вход сумматора 4 через цифро-аналоговый преобразователь 5 поступает сигнал с группового выхода цифрового регулятора 6. С выхода сумматора 4 сигнал управляющего воздействия подается на регулируюгций клапан 7.

Сигнал с группового выхода цифрового регулятора 6 через третий блок 22 сопряжения поступает также на четвертый групповой вход первого запоминающего устройства 15.

Сигнал с датчика 11 расхода теплоносителя поступает на первый вход коммутатора 9

ЗО

55 аналоговых сигналов, на второй и третий входы которого поступают сигналы соответст венно с датчика 8 и задатчика 10 температуры. Сигнал управления с группового выхода блока 12 управления поступает в дискретные моменты времени на четвертый вход коммутатора 9 и своим воздействием коммутирует сигналы с датчиков 8 и 11 или задатчика 10 на вход аналого-цифрового преобразователя 13. С третьего выхода блока 12 управления сигнал управления поступает на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 13. Сигнал с его группового выхода в виде цифрового кода через первый блок 14 сопряжения поступает на первый групповой вход первого запоминающего устройства 15.

В каждый и-й период дискретизации на информационный вход аналого-цифрового преобразователя 13 поступает измеренное значение температуры на контрольной тарелке уь задающего воздействия W< и расхода теплоносителя, характеризующего общее значение управляющего воздействия

U<,< которые преобразуются в цифровой код и запоминаются в первом запоминаюшем устройстве 15. С группового выхода цифрового регулятора 6 в каждый и-й период дискретизации в первое запоминаюгцее устройство 15 заносится цифровой код, характеризующий величину динамической составляюшей управляющего воздействия Ut ь Для реализации самонастройки параметров цифрового регулятора 6 в каждый период дискретизации в первом запоминающем устройстве 15 необходимо хранить массивы информации о задающем воздействии W

Wt 2, Wt з, W 4, Wi ... о динамической составляющей управляющего воздействия

Up 2, Ut — 3, Ut — 4, Ut 5, Ut 6 и о температуре на выходе колонны уь gi ь gi —, у — з, у —, где W<;, U<. „g> — соответственно задание, управление и регулируемая температура в (и — i )-й период дискретизации.

Значения динамических составляющих управляющего воздействия l 2, U< 3, U, Ui >, U вводятся в первое запоминающее устройство 15 с группового выхода цифрового регулятора 6. Обшее значение управляющего воздействия U;,@„с датчика расхода теплоносителя вводится в первое запоминающее устройство 15 для настройки системы и периодической проверки соответствия управляющего воздействия расходам сырья и теплоносителя.

Приведенные сигналы из первого запоминающего устройства 15 распределяются на другие блоки следуюшим образом. С его первого выхода сигнал g, поступает на первый вход второго блока 17 сопряжения и на первый вход функционального блока 23.

С второго и третьего выхода первого запоминающего устройства 15 сигналы у i, Ui подаются соответственно на второй и третий входы второго блока 17 сопряжения. С чет1316689 вертого выхода первого запоминающего устройства 15 сигнал U! 3 поступает на четвертый вход второго блока 17 сопряжения и на второй вход функционального блока 23.

С пятого и шестого выходов первого запоминающего устройства 15 сигналы Ж

142! 2 поступают соответственно на пятый и шестой входы второго блока 17 сопряжения. С седьмого и восьмого выходов первого запоминающего устройства 15 сигналы у, и у, 4 поступают соответственно на третий и четвертый входы блока 16 оценивания параметров. С девятого выхода первого запоминающего устройства 15 сигнал U! 4 поступает на пятый вход блока 16 оценивания параметров и на третий вход функционального блока 23. С десятого, одиннадцатого, двенадцатого, тринадцатого и четырнадцатого выходов первого запоминающего устройства .15 поступают сигналы U! Ur

m!,4, Wr, 1 СООтВЕтСтВЕННО На ШЕСтОй, СЕДЬмой, восьмой, девятый и десятый входы блока 16 оценивания параметров. Сигнал Wi с пятнадцатого выхода первого запоминающего устройства 15 поступает на четвертый вход функционального блока 23, на пятый и шестой входы которого поступают весовые сигналы Х и R соответственно с 16-го и 17-го выходов первого запоминающего устройства 15. В функциональном блоке 23 формируется в каждый период дискретизации обобщенная функция стоимости: ! t/i R+! — 3+r((Ui — 3 //! — 4). (1)

Сигнал Ф с выхода функционального блока 23 поступает на одиннадцатый вход блока 16 оценивания параметров.

При запуске самонастраивающейся системы с первого группового выхода первого запоминающего устройства 15 на первый групповой вход блока 16 оценивания параметров поступает групповой сигнал О. =

={f oHk r f i íà÷ Я !нач И2чач ° g3rrgq /г нац ° /г2 нац

6 }, представляющий собой матрицу-строку начальных параметров, которые в последующих циклах подстраиваются. На второй групповой вход блока 16 с второго группового выхода первого запоминающего устройства 15 поступает сигнал К-, представляющий собой единичную матрицу корректирующих коэффициентов размерности (7Р, 7) .

На третий групповой вход блока 16 с третьего группового выхода первого запоминающего устройства 15 поступает сигнал Р, представляющий собой начальную диагональную матрицу ковариантности размерности (7к 7) В последующие циклы настройки с первого, второго и третьего групповых выходов первого запоминающего устройства 15 поступают групповые сигналы О! ь К, i, P! соответственно на первый, второй и третий групповые входы блока 16 оценивания параметров. Сигналы Ot i, К! i, Pt представляют собой соответственно вектор параметров О, матрицу коэффициентов К и матрицу

P в (n — 1) -й период дискретизации.

В блоке 16 оценивания параметров производится вычисление матрицы-строки параметРОВ 9r={(nr, f i t, g i r, g 2t, Дз, /2 t r, /г2(, по рекурентному методу наименьших квадратов согласно следующим соотношениям

-т х! — 3 — {yt — з gt — 4 . — 41 U — 5 ° (! — 6

В 4, 14 г, 1); (2)

Ог,={/4г, Рч,, д!, g,, Уг, /2tt — i, /г2!->, б) (3)

Р,=Р,,— К, (1+х",,Р,,х К,,); (4)

Кг=PrXr 3/1+Õ," АХ 3) ; (5)

Ol=R +К,(Ф t — х! — 30 — l)i (6)

15 где t — текущее время, которое определяется в дискретные интервалы иТ„(/((гг+1)Т„ (ТΠ— период дискретизации, который выбигг рается из условия Т1=-, где т -- время

«чистого» запаздывания по каналу расход

20 теплоносителя — температура на контрольной тарелке. Это условие можно всегда выдержать путем выбора периода дискретизации Тр при известном т).

В первом цикле оценивания параметров в блоке 16 согласно алгоритму (2), (3), (4), 25 (5) и (6) в качестве (Э! г используется матрица-строка начальных параметров Й .«, - которая в дальнейшем в каждом цикле настройки (в каждый период дискретизации) уточняется.

С первого — восьмого выходов блока 16 оценивания параметров поступают сигналы

f"r, f !, gi „g -g t, 6 !, /22!, о! соответственно на седьмой — четырнадцатый входы второго блока 17 сопряжения и на пятый групповой вход первого запоминающего устройства 15.

С первого и второго группового выходов

35 блока 16 оценивания параметров матрица корректирующих коэффициентов К, и матрица ковариантности Р, поступают соответственно на второй и третий групповые входы первого запоминающего устройства 15. Из

4р второго блока 17 сопряжения оцененные параметры /,, jit, !!, gti, g. /г,, /г,, о! через первую шину 19 данных поступают на цифровой регулятор 6, в котором в каждый период дискретизации формируется закон оптимального управления:

C(z ) 1, +; ii= — "(. )t/,+@z )U+

+<(z ) =f" у!+f гу — !+ОЖ! !+

g - U! +Д.4! U «+/г!! Wr +/г, 97! 2+

+6i-1=О, откуда определяется динамическая составляющая управляющего воздействия в виде цифрового кода

/!г/+/ г/! +а г/ + Х! (8)

/it!1Ã!. !+/г2!1Г, 2 6, l

1 который подается на цифроаналоговый преобразователь 5 и через третий блок 22 сопря1316689 (9) 35

55 жения на четвертый групповой вход первого запоминающего устройства 15.

Параметры fbi, fi>, g

Таким образом, на каждом цикле настройки определяются коэффициенты fo

)Ij, gl; @ ;, яз;, Й ;, Й2;, 6;, по которым в цифровом регуляторе 6 вычисляется динамическая составляющая управляющего воздействия

U, ь На каждом цикле настройки в блоке 16 проверяется логическое условие л

Ф;=х зО; (в, выполнение которого фиксирует оптимальность настройки цифрового регулятора. При

Ф; — х;" O i(e настройка коэффициентов

fn, f>, дь g, g, Йь h,, 6 заканчивается.

Принципиальная схема технической реализации всей системы приведена на фиг. 3.

Работа системы поясняется общим управляющим алгоритмом (фиг. 4). В момент включения питания генератор 30 блока 12 управления вырабатывает импульс, устанавливающий систему в исходное состояние.

После включения питания начинает работать генератор 31, который вырабатывает серию импульсов для счетчика 32 и две серии синхроимпульсов Ф i и Ф для микропроцессоров. Импульс на первом выходе счетчика 32 устанавливает коммутатор 9 на подключение сигнала на вход аналого-цифрового преобразователя 13 с выхода датчика 8 температуры, характеризующего выходной параметр колонны уь Следующий за ним импульс на втором выходе счетчика 32 запускает аналого-цифровой преобразователь 13, который начинает преобразовывать в цифровую форму сигнал у> с датчика 8 температуры.

Одновременно со счетчиком 32 начинает работать первый микропроцессор, на котором реализованы блоки 16 и 23, а второй микропроцессор, на котором реализован блок 6, удерживается в состоянии «Захват» сигналом с выхода триггера 28. Первый микропроцессор анализирует наличие сигнала готовности от аналого-цифрового преобразователя 13, который поступает с выхода через многорежимный буферный регистр 33, элемент НЕ 34, многорежимный буферный регистр 35, вторую шину данных в первый микропроцессор. При наличии сигнала готовности первый микропроцессор принимает от аналого-цифрового преобразователя 13 цифровой код, характеризующий выходной сигнал колонны у,, который передается по шине через многорежимный буферный регистр 33, по второй шине данных в первый микропроцессор, а оттуда — в первое запоминающее устройство 15. Затем первый микропроцессор путем выборки из первого запоминающего устройства 15 сигналов у, 5

W<, U, з, Ut 4 формирует обобщенную функцию стоимости в соответствии с уравнением (1).

После приема измерения выходного сигнала колонны у> сигнал с третьего выхода счетчика 32 адресует сигнал задания Ф от задатчика 10, который поступает теперь через коммутатор 9 на вход аналого-цифрового преобразователя 13. Вслед за сигналом адресации счетчик 32 с второго выхода выдает импульс запуска аналого-цифрового преобразователя 13 и начинается процесс преобразования в цифровую форму сигнала задания Wi.

Одновременно с аналого-цифровым преобразователем 13 работает первый микропроцессор, который решает уравнения (4) и (5), реализующие процедуру рекуррентного метода наименьших квадратов. После этого опрашивается готовность аналогоцифрового преобразователя 13, принимается цифровой код сигнала задания W и записывается в первое запоминающее устройство 15.

Счетчик 32 сигналом с четвертого выхода устанавливает коммутатор 9 на подключение к входу аналого-цифрового преобразователя 3 сигнала U,g с датчика 11 расхода теплоносителя и запускает аналого-цифровой преобразователь 13 импульсом с второго выхода. Одновременно первый микропроцессор решает уравнения (6) и (9) с целью получения оценок матрицы строки параметров:

O =(f t f t, g g- t g" йч, Мл, ф, и по завершению этой операции опрашивается готовность аналого-цифрового преобразователя и вводится цифровой код о сигнале с датчика теплоносителя.

Затем первый микропроцессор переписывает сигналы уь % и значения параметров

Oi из первого запоминающего устройства 15 через многорежимный буферный регистр 17 во второе запоминающее устройство 18 и запускает второй микропроцессор сигналом

D«через элемент И 26 и формирователь сигнала «Сброс» 27. Сигнал «Захват» с второго микропроцессора снимается, и он начинает выполнять программу с нулевого адреса постоянного запоминающего устройства 36.

После операции передачи данных во второе запоминающее устройство 18 первый микропроцессор и счетчик 32 начинают сначала последовательность операций, т. е. счетчик 32 адресует выходной сигнал об.ьекта yi и запускает аналого-цифровой преобразователь 13, а первый микропроцессор решает уравнение (1) .

В это время второй микропроцессор начинает решать уравнение (8) с целью вычисления динамической составляющей управляющего воздействия U< Вычисленное значение U ; второй микропроцессор пере1316689

Формула изобретения дает через блок 22, первое запоминающее устройство 15 и через многорежимный буферный регистр 37 на цифроаналоговый преобразователь 5, который выдает обратно сигнал подтверждения данных через выход ЗП многорежимного буферного регистра 37 на элемент ИЛИ 29 и триггер 28 блока управления, устанавливая его в единичное состояние. Затем второй микропроцессор снова переводится в состояние «Захват». Второй микропроцессор снова запускается в работу с помощью первого микропроцессора после вычисления параметров 8 + и приема сигналов у +и Фi+I и li+lo6ui

Адресным сигналом многорежимного буферного регистра 33 является сигнал. поступающий по адресной линии на вход «Выбор кристалла». Он служит для адресации многорежимного буферного регистра 33, т. е. для обращения к данной БИС при вводе данных. Управляюшим сигналом многоре"" взивпие ю сигнал «Чтение — ввод-вывод» (ЧТВВ), при совпадении которого с сигналом на линии

А15 происходит считывание с него данных.

Адресация и управление многорежимным буферным регистром 35 производятся аналогично. Многорежимный буферный регистр работает на вывод данных, поэтому на его уп авляюгций вход ВК1 подается сигнал

«Запись-ввод вывод» (ЗПВВ), а адресуется он сигналом на адресной линии А12. Многорежимный буферный регистр 37 также работает на вывод данных под управлением второго микропроцессора, и на их - п авляюшие входы ВК1 подается сигнал «апись-ввод твывод» а адресация производится сисиалами на линиях А14 и А16 соответственно.

1. Самонастраивающаяся система автоматического цифрового управления ректификационной колонной, содержащая датчик расхода сырья, масштабирующий блок, сумматор, цифровой регулятор, регулирующий клапан подачи теплоносителя, датчик расхода теплоносителя, датчик температуры на контрольной тарелке, задатчик температуры, вход сумматора соединен с выходом масштабируюгцего блока, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества разделения продукта в ректификационной колонне за счет увеличения точности регулирования температуры на контрольной тарелке и снижения энергозатрат, дополнительно введены аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, коммутатор аналоговых сигналов, блок управления, блок совпадения, первый, второй и третий блоки сопряжения, первое и второе запоминающие устройства, функциональный блок и блок оценивания параметров, выход сумматора соединен с регулирующим клапаном подачи теплоносителя, а второй вход — с выходом

1С

ЗО

55 цифроаналогового преобразователя, вход и второй выход которого соединены соответственно с первым групповым выходом и первым входом цифрового регулятора, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, третий выход которого соединен с управляющим входом аналогоцифрового преобразователя, четвертый выход — с первым входом блока оценивания параметров и четвертым входом цифрового регулятора, пятый выход — с пятым входом цифрового регулятора и с вторым входом блока оценивания параметров, первый, второй и третий групповые входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим групповыми выходами первого запоминающего устройства, первый групповой вход которого соединен через первый блок сопряжения с групповым выходом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого соединен с выходом коммутатора аналоговых сигналов, первый. второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с выходами датчика расхода теплоносителя, датчика температуры на контрольной тарелке, задатчика температуры и групповым выходом блока управления, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока совпадения и выходом цифрового регулятора, первый групповой вход которого соединен первой шиной данных с групповым выходом второго блока сопряжения и первым групповым входом второго запоминаюгцего устройства, второй и третий групповые входы которого соединены соответственно с первыми шинами адреса и управления с вторым и третьим групповыми выходами цифрового регулятора, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы второго блока сопряжения соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым выходами первого запоминающего устройства, седьмой, восьмой, девятый, десятый. одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый и четырнадцатый выходы которого соединены соответственно с третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым и десятым входами бпока оценивания параметров, одиннадцатый вход которого соединен с выходом функционального блока, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с первым, третьим, девятым, пятнадцатым, шестнадцатым и семнадцатым выходами первого запоминающего устройства, второй и третий групповые входы которого соединены с первым и вторым групповыми выходами блока оценивания параметров, четвертый групповой вход — с групповым выходом третьего блока сопряжения, групповой вход которого соединен с первым групповым выходом цифрового регулятора, пятый групповой вход первого запоминаю1316689

ll ucmunnam щего устройства соединен шиной параметров с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым выходами блока оценивания параметров, которые соединены соответственно с седьмым, восьмым, девятым, десятым, одиннадцатым, двенадцатым, тринадцатым, четырнадцатым входами второго блока сопряжения, шестой и седьмой групповые входы первого запоминающего устройства соединены соответственно вторыми шинами управления и адреса с третьим 10 и четвертым групповыми входами блока оценивания параметров, восемнадцатый выход первого запоминаюшего устройства соединен с входом блока совпадения, второй и третиЙ входы которого подсоединены соответственно к вторым шинам управления и адреса, выход датчика расхода сырья соединен с входом масштабирующего блока.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления содержит формирователь сброса, RS-триггер, логический элемент

И,ЛИ, генератор сигнала сброса, генератор импульсов синхронизации и счетчик импульсов, первый вход блока управления соединен с R-входом RS-триггера, выход которого через формирователь сброса соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с вторым выходом

RS-триггера, S-вход которого соединен с выходом логического элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с входом счетчика импульсов и выходом генератора сигнала сброса, а второй вход — с вторым входом блока управления, первый и второй выходы счетчика импульсов соединены соответственно с групповым и третьим выходами блока управления, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора импульсов синхронизации, третий выход которого соединен с вторым входом счетчика импульсов.

1316689

1316689 дюйма ит, ю ЦА/7

Ф6Г 4

Составитель H. !3ашкиров

Редактор М. Дылын Тсхред И. Верее Корректор А. Зимокосов

Заказ 2276/6 Тираж 65о 1!одписное

ВНИИПИ Государственного комитета (.(.(.Р II<. делам изобретений н откры" ни

1! 3035, Москва, Ж 35, 1 нушская наб., t. 1, 5

Производственно-полиграфическое llpt дприятнс, г. Ужгород, ул. Проектная. 1