Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака

Изобретение относится к системам автоматического цифрового управления в производстве аммиака и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Технический результат изобретения - улучшение качества цифрового управления температурой в слоях катализатора за счет повышения динамической точности и снижения времени установления управляемых величин путем применения принципов автономно-инвариантного управления при наличии внутренних перекрестных связей и возмущений, что повышает производительность колонны синтеза аммиака. Достигается это тем, что в цифровую многосвязную систему управления процессом синтеза аммиака, содержащую датчик концентрации водорода и азота в циркуляционном газе, датчики и регуляторы температуры в слоях катализатора, клапаны в линиях байпасных потоков, дополнительно введены датчики концентрации аммиака и инертных газов в циркуляционном газе, автономные компенсаторы перекрестных связей, соединенные своими входами с выходами регуляторов температуры в слоях катализатора, а выходами - через сумматоры с клапанами в линиях байпасных потоков, инвариантные компенсаторы возмущений, связанные своими входами с датчиками концентраций аммиака, инертных газов, водорода и азота в циркуляционном газе, а выходами - через сумматоры с клапанами в линиях байпасных потоков. 2 ил.

 

Изобретение относится к системам автоматического цифрового управления в производстве аммиака и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является система, реализующая способ автоматического регулирования температурного режима колонны синтеза аммиака, содержащая датчики расхода, давления, температуры и состава циркуляционного газа на входе колонны синтеза, датчики температуры в слоях катализатора, регуляторы степени открытия клапанов в линиях байпасных потоков, вычислительное устройство [А.С. СССР №1736928, М. кл³. С01С 1/04, G05D 27/00, 24.04.90]. В способе осуществляется регулирование температур в слоях катализатора путем изменения подачи циркуляционного газа и байпасных потоков в зависимости от расхода, давления, температуры и состава газа на входе в колонну синтеза, давления газа в испарителе, заданным и измеряемым значениям температур в слоях.

Недостатком известного способа является неудовлетворительное качество регулирования температуры в слоях катализатора, что снижает производительность колонны синтеза аммиака из-за отсутствия компенсации внутренних перекрестных связей по каналам "расход байпасного потока в 1, 2, 3 слоях - температура в последующих нижних 2, 3, 4 слоях" и компенсации внешних возмущений по концентрациям аммиака и инертных газов в циркуляционном газе.

Техническая задача предполагаемого изобретения - разработка цифровой системы управления температурой в слоях катализатора, учитывающей влияние внутренних перекрестных связей по каналам "расход байпасного потока в 1, 2, 3 слоях - температура в последующих нижних 2, 3, 4 слоях катализатора", а также внешних возмущении по концентрациям аммиака и инертных газов в циркуляционном газе.

Поставленная задача достигается тем, что в цифровой многосвязной системе управления процессом синтеза аммиака, содержащей датчик концентрации водорода и азота в циркуляционном газе, четыре датчика и регулятора температуры в каждом из четырех слоев катализатора, четыре клапана на байпасных потоках, новым является то, что в нее дополнительно введены датчики концентраций аммиака и инертных газов в циркуляционном газе, десять автономных компенсаторов перекрестных связей, при этом первый-четвертый соединены своими входами с выходом регулятора температуры в первом слое катализатора, пятый, шестой и седьмой - с выходом регулятора температуры во втором слое катализатора, восьмой и девятый - с выходом регулятора температуры в третьем слое катализатора, десятый - с выходом регулятора температуры в четвертом слое катализатора, двенадцать инвариантных компенсаторов возмущений, при этом первый-четвертый соединены своими входами с датчиком концентрации аммиака в циркуляционном газе, пятый-восьмой - с датчиком концентрации инертных газов в циркуляционном газе, девятый-двенадцатый - с датчиком водорода и азота в циркуляционном газе, четыре сумматора, при этом первый сумматор своими входами соединен с выходами первого автономного компенсатора перекрестных связей, первого, пятого и девятого инвариантных компенсаторов возмущений, а выходом - с клапаном на байпасном потоке первого слоя катализатора, второй сумматор соединен с выходами второго и пятого автономных компенсаторов перекрестных связей, второго, шестого и десятого инвариантных компенсаторов возмущений, а выходом - с клапаном на байпасном потоке второго слоя катализатора, третий сумматор соединен с выходами третьего, шестого и восьмого автономных компенсаторов перекрестных связей, третьего, седьмого и одиннадцатого инвариантных компенсаторов возмущений, а выходом - с клапаном на байпасном потоке третьего слоя катализатора, четвертый сумматор соединен с выходами четвертого, седьмого, девятого и десятого автономных компенсаторов перекрестных связей, четвертого, восьмого и двенадцатого инвариантных компенсаторов возмущений, а выходом - с клапаном на байпасном потоке четвертого слоя катализатора.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается в повышении качества управления температурой в слоях катализатора колонны синтеза аммиака при наличии внутренних перекрестных связей и возмущений, за счет повышения динамической точности и времени установления управляемых величин, что увеличивает производительность колонны синтеза аммиака.

На чертежах показаны принципиальная структурно-функциональная схема для реализации предлагаемой системы (Фиг.1) и структурная схема многосвязного объекта управления (Фиг.2).

Схема (Фиг.1) состоит из теплообменника 1, колонны 2 синтеза, датчиков концентрации аммиака 3, инертных газов 4, водорода и азота 5 в циркуляционном газе на входе в колонну синтеза, датчиков 6-9 температуры в I-IV слоях катализатора соответственно, основных регуляторов 10-13, автономных компенсаторов 14-23 перекрестных связей, инвариантных компенсаторов 24-35 возмущений, сумматоров 36-39, клапанов 40-43 в линиях байпасных потоков (БП1-БП4).

Колонна синтеза аммиака как объект управления является многосвязным объектом (Фиг.2), включающим в себя основные, перекрестные и возмущающие каналы, динамика которых в цифровом виде описывается разностными уравнениями:

где - температура по основному (k=j) или перекрестному (k≠j) каналу; - температура по каналу возмущения; k - номер входа (номер байпасного потока, нумерация сверху вниз); h - номер возмущения (концентрация аммиака, инертных газов, соотношение водорода и азота); j - номер выхода (температура в соответствующем слое катализатора, нумерация сверху вниз); a^u[k][j], b^u[k][j], - параметры и число тактов запаздывания разностного уравнения основного или перекрестного канала; a^f[h][j], b^f[h][j], - параметры и число тактов запаздывания разностного уравнения по каналу возмущения; k₀, n₀ - порядки полиномов; i - индекс такта квантования.

Температура, измеряемая датчиками в каждом слое катализатора (Фиг.2), определяется выходами соответствующих каналов управления и возмущения:

Применяя оператор сдвига z уравнения связи по каналам, описываются с использованием дискретных передаточных функций W(z):

где z - оператор сдвига; - дискретная передаточная функция по основному, (k=j) или перекрестному (k≠j) каналу, , ; - дискретная передаточная функция по каналу возмущения , .

Основные каналы:

, , , - расходы БП1-БП4 на первый-четвертый слои катализатора (u^[1]-u^[4]) - температура в соответствующем слое (у^u[1][1]-y^[4][4]).

Перекрестные каналы:

, , - расход БП1 (u^[1]) - температура во 2-4 слоях (y^u[1][2]-y^u[1][4]);

, - расход БП2 (u^[2]) - температура в 3-4 слоях (У^u[2][3]-y^u[2][4]);

- расход БПЗ (u^[3]) - температура в 4 слое (y^u[3][4]).

Каналы возмущений:

, , , - концентрация аммиака в циркуляционном газе на входе в колонну (f^[1]) - температура в соответствующем слое (y^f[1][1]-y^f[1][4]);

, , , - концентрация инертных газов на входе в колонну (f^[2]) - температура в соответствующем слое (у^f[2][1]-y^f[2][4]);

, , , - соотношение концентраций водорода и азота на входе в колонну (f^[3]) - температура в соответствующем слое (y^f[3][1]-y^f[3][4]).

Цифровая многосвязная система управления работает следующим образом.

По сигналам y^[l]-y^[4] от датчиков 6-9 температуры, основные регуляторы 10-13 вырабатывают управляющие сигналы u^u[1]-u^u[4], которые формируются в соответствии с алгоритмом цифрового управления:

где - настроечные параметры соответствующего цифрового регулятора; k^u[j] - порядок цифрового алгоритма управления; е^[j]=у^з[j]-у^[j] - рассогласование между заданным (y^з[j]) и измеряемым (y^[j]) значением температуры в каждом слое.

С целью компенсации перекрестного влияния расходов БП1-БП3 на температуры в нижних 2-4 слоях катализатора автономные компенсаторы 14-23 перекрестных связей по сигналам с выходов цифровых регуляторов u^u вырабатывают компенсирующие сигналы по разностному уравнению:

где - выход автономного компенсатора, устраняющего перекрестное влияние h-го байпасного потока на температуру в j-ом слое катализатора; p^uk[h][j], q^uk[h][j], d^uk[h][j] - параметры и число тактов запаздывания разностного уравнения автономного компенсатора перекрестной связи; k^uk, n^uk - порядки полиномов.

Уравнение связи предлагаемой системы управления в векторно-матричной форме имеет вид [1]:

где y=[y^[1], у^[2], у^[3], у^[4]]^Т - вектор выходов (температура в каждом слое катализатора); у^З=[у^З[1], у^З[2], у^З[3], у^З[4]]^T - вектор заданий по температурам; f=[f^[1], f^[2], f^[3]]^T - вектор возмущений; I - единичная матрица (4×4);

- диагональная матрица передаточных функций цифровых регуляторов.

Структуры и параметры разностных уравнений (5) автономных компенсаторов 14-23 перекрестных связей определяются из передаточных функций [1], полученных из условия автономности:

- матрица дискретных передаточных функций основных и перекрестных каналов объекта;

- диагональная матрица желаемых эквивалентных [1] дискретных передаточных функций каналов объекта;

- матрица дискретных передаточных функций компенсаторов перекрестных связей.

Используя обратное z-преобразование, осуществляется переход от дискретных передаточных функций к конечно-разностным уравнениям (5).

В качестве желаемых передаточных функций W^ж[j], определяющих эквивалентные каналы, приняты передаточные функции основных каналов:

В этом случае после перемножения матриц в (6) следует, что:

При выполнении условия автономности оптимизация настроечных параметров цифровых регуляторов (4) осуществляется методом градиента по критерию - минимум интегральной квадратичной ошибки [2].

Компенсация возмущений f^[1], f^[2], f^[3] по сигналам от датчиков концентрации аммиака 3, инертных газов 4, водорода и азота 5 в циркуляционном газе на входе в колонну синтеза, осуществляется инвариантными компенсаторами 24-35, вырабатывающими сигналы по разностному уравнению:

где - выход инвариантного компенсатора возмущения, компенсирующего влияние h-го возмущения на температуру в j-ом слое катализатора);

p^fk[h][j], q^fk[h][j], d^fk[h][j] - параметры и число тактов запаздывания разностного уравнения инвариантного компенсатора; k^fk, n^fk - порядки полиномов.

Расчет дискретных передаточных функций инвариантных компенсаторов возмущений осуществляется исходя из матричного уравнения (6):

где - матрица передаточных функций цифровых компенсаторов возмущений;

- матрица дискретных передаточных функций объекта по каналам возмущений.

Используя обратное z-преобразование, осуществляется переход от дискретных передаточных функций инвариантных компенсаторов возмущений к конечно-разностным уравнениям (9).

Сигналы с выходов основных регуляторов 10-13, автономных 14-23 и инвариантных 24-35 компенсаторов поступают на входы соответствующих сумматоров 36-39, с выходов которых управляющий сигнал поступает на клапаны 40-43.

Оптимизация основных регуляторов, расчет дискретных передаточных функций автономных и инвариантных компенсаторов, а также реализация цифровой системы регулирования осуществляется на базе средств программируемого микропроцессорного контроллера и рабочей станции (ПЭВМ).

Использование предлагаемой системы позволяет существенно повысить качество управления процессом синтеза аммиака за счет повышения динамической точности и уменьшения времени установления управляемых параметров путем компенсации перекрестных связей и возмущений, а также использования прямого цифрового управления, что повышает точность поддержания температуры в слоях катализатора и в конечном итоге производительность колонны синтеза аммиака.

Источники информации

1. Синтез цифровых систем управления технологическими объектами [Текст]: учеб. пособие / B.C.Кудряшов, В.К.Битюков, М.В.Алексеев, С.В.Рязанцев. Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2005. - 336 с.

Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака, содержащая датчик концентрации водорода и азота в циркуляционном газе, четыре датчика и регулятора температуры в каждом из четырех слоев катализатора, четыре клапана на байпасных потоках, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены датчики концентраций аммиака и инертных газов в циркуляционном газе, десять автономных компенсаторов перекрестных связей, при этом первый-четвертый соединены своими входами с выходом регулятора температуры в первом слое катализатора, пятый, шестой и седьмой - с выходом регулятора температуры во втором слое катализатора, восьмой и девятый - с выходом регулятора температуры в третьем слое катализатора, десятый - с выходом регулятора температуры в четвертом слое катализатора, двенадцать инвариантных компенсаторов возмущений, при этом первый-четвертый соединены своими входами с датчиком концентрации аммиака в циркуляционном газе, пятый-восьмой - с датчиком концентрации инертных газов в циркуляционном газе, девятый-двенадцатый - с датчиком водорода и азота в циркуляционном газе, четыре сумматора, при этом первый сумматор своими входами соединен с выходами первого автономного компенсатора перекрестных связей, первого, пятого и девятого инвариантных компенсаторов возмущений, а выходом - с клапаном на байпасном потоке первого слоя катализатора, второй сумматор соединен с выходами второго и пятого автономных компенсаторов перекрестных связей, второго, шестого и десятого инвариантных компенсаторов возмущений, а выходом - с клапаном на байпасном потоке второго слоя катализатора, третий сумматор соединен с выходами третьего, шестого и восьмого автономных компенсаторов перекрестных связей, третьего, седьмого и одиннадцатого инвариантных компенсаторов возмущений, а выходом - с клапаном на байпасном потоке третьего слоя катализатора, четвертый сумматор соединен с выходами четвертого, седьмого, девятого и десятого автономных компенсаторов перекрестных связей, четвертого, восьмого и двенадцатого инвариантных компенсаторов возмущений, а выходом - с клапаном на байпасном потоке четвертого слоя катализатора.