Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
См. Также: Теория управления

Автоматическое управление технологическим процессом в непрерывных производственных процессах представляет собой сочетание инженерных дисциплин управления и химического машиностроения, в котором используются системы промышленного управления для достижения уровня согласованности, экономичности и безопасности производства, который не может быть достигнут только с помощью ручного управления человеком. Он широко применяется в таких отраслях, как нефтепереработка, производство целлюлозы и бумаги, химическая обработка и электростанции.

Существует широкий диапазон размеров, типов и сложности, но он позволяет небольшому количеству операторов управлять сложными процессами с высокой степенью согласованности. Разработка больших автоматических систем управления технологическим процессом сыграла важную роль в создании возможностей для проектирования больших объемов и сложных процессов, которые нельзя было бы использовать иначе экономически или безопасно.

Применения могут варьироваться от контроля температуры и уровня в отдельном технологическом резервуаре до полного химического завода с несколькими тысячами контуров управления .

История [ править ]

Первые прорывы в области управления технологическим процессом чаще всего проявлялись в виде устройств контроля воды. Ктесибию из Александрии приписывают изобретение поплавковых клапанов для регулирования уровня воды в водяных часах в 3 веке до нашей эры. В I веке нашей эры Герон Александрийский изобрел водяной клапан, похожий на заливной клапан, используемый в современных туалетах. [1]

Более поздние изобретения в области управления технологическим процессом касались основных принципов физики. В 1620 году Корнлис Дреббель изобрел биметаллический термостат для регулирования температуры в печи. В 1681 году Денис Папен обнаружил, что давление внутри сосуда можно регулировать, помещая грузы на крышку сосуда. [1] В 1745 году Эдмунд Ли создал веерный хвост для повышения эффективности ветряной мельницы; Фантайл представлял собой ветряную мельницу меньшего размера, размещенную на 90 ° относительно больших вентиляторов, чтобы мельница была направлена ​​прямо на встречный ветер.

С началом промышленной революции в 1760-х годах изобретения в области управления технологическими процессами были нацелены на замену людей-операторов механизированными процессами. В 1784 году Оливер Эванс создал водяную мельницу, которая работала с ведрами и шнековыми конвейерами. Генри Форд применил ту же теорию в 1910 году, когда была создана конвейерная линия, чтобы уменьшить вмешательство человека в процесс производства автомобилей. [1]

Для бесступенчатого управления технологическим процессом только в 1922 году формальный закон управления для того, что мы сейчас называем ПИД-регулированием или трехчленным регулированием, впервые был разработан на основе теоретического анализа русско-американским инженером Николасом Минорски . [2] Минорский занимался исследованием и проектированием системы автоматического управления кораблем для ВМС США и основывал свой анализ на наблюдениях за рулевым . Он отметил, что рулевой управлял кораблем, основываясь не только на текущей ошибке курса, но и на прошлой ошибке, а также на текущей скорости изменения; [3] это было затем математически обработано Минорским. [4]Его целью была стабильность, а не общий контроль, что значительно упростило задачу. Хотя пропорциональное управление обеспечивало устойчивость к небольшим возмущениям, его было недостаточно для борьбы с устойчивыми возмущениями, особенно с сильным штормом (из-за стационарной ошибки ), что потребовало добавления интегрального члена. Наконец, для повышения стабильности и контроля был добавлен производный член.

Разработка современных АСУ ТП [ править ]

Современная диспетчерская, где информация о заводе и средства управления отображаются на экранах компьютерной графики. Операторы сидят, так как они могут просматривать и контролировать любую часть процесса со своих экранов, сохраняя при этом обзор установки.

Управление процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много этапов. Первоначально управление будет осуществляться с локальных панелей технологического предприятия. Однако для этого требовались большие людские ресурсы для работы с этими рассредоточенными группами, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех заводских измерений в центральную диспетчерскую, где постоянно находился персонал. Фактически это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами более низкого уровня персонала и более легкого обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все автоматические и ручные управляющие сигналы передавались обратно на завод. Однако, обеспечивая централизованное управление, эта компоновка была негибкой, поскольку каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера,и требовалось постоянное перемещение оператора в диспетчерской для просмотра различных частей процесса.

С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода / вывода с собственными процессорами управления. Они могут быть распределены по предприятию и сообщаться с графическим дисплеем в диспетчерской или комнатах. Так родилась распределенная система управления.

Внедрение DCS позволило легко соединить и переконфигурировать средства управления производством, такие как каскадные петли и блокировки, а также облегчить взаимодействие с другими производственными компьютерными системами. Он обеспечил сложную обработку аварийных сигналов, ввел автоматическую регистрацию событий, устранил необходимость в физических записях, таких как регистраторы диаграмм, позволил объединить стойки управления в сеть и, таким образом, локально расположить их на заводе, чтобы сократить количество прокладок кабелей, и обеспечил высокоуровневые обзоры состояния завода и производства. уровни.

Иерархия [ править ]

Функциональные уровни операции производственного контроля.

Прилагаемая диаграмма представляет собой общую модель, которая показывает функциональные уровни производства в большом процессе с использованием процессора и компьютерного управления.

Ссылаясь на схему: Уровень 0 содержит полевые устройства, такие как датчики расхода и температуры (показания параметров процесса - PV), и конечные элементы управления (FCE), такие как регулирующие клапаны ; Уровень 1 содержит промышленные модули ввода / вывода (I / O) и связанные с ними распределенные электронные процессоры; Уровень 2 содержит управляющие компьютеры, которые собирают информацию от узлов процессора в системе и предоставляют экраны управления оператором; Уровень 3 - это уровень управления производством, который не контролирует напрямую процесс, но занимается мониторингом производства и мониторингом целей; Уровень 4 - это уровень планирования производства.

Модель управления [ править ]

Чтобы определить фундаментальную модель для любого процесса, входы и выходы системы определяются иначе, чем для других химических процессов. [5] Балансные уравнения определяются управляющими входами и выходами, а не материальными входами. Модель управления - это набор уравнений, используемых для прогнозирования поведения системы, которые могут помочь определить реакцию на изменения. Переменная состояния (x) - это измеримая переменная, которая является хорошим индикатором состояния системы, например, температура (энергетический баланс), объем (массовый баланс) или концентрация (компонентный баланс). Входная переменная (u) - это заданная переменная, которая обычно включает расход.

Важно отметить, что входящие и исходящие потоки считаются управляющими входами. Управляющий вход можно классифицировать как управляемую, возмущающую или неконтролируемую переменную. Параметры (p) обычно являются физическим ограничением и чем-то фиксированным для системы, например, объемом емкости или вязкостью материала. Выход (y) - это показатель, используемый для определения поведения системы. Управляющий выход можно разделить на измеряемый, неизмеряемый или неконтролируемый.

Типы [ править ]

Процессы можно охарактеризовать как периодические, непрерывные или гибридные. [6] Пакетные приложения требуют, чтобы определенные количества сырья комбинировались определенным образом в течение определенного времени для получения промежуточного или конечного результата. Одним из примеров является производство клеев и клеев, которое обычно требует смешивания сырья в нагретом сосуде в течение определенного периода времени для образования определенного количества конечного продукта. Другими важными примерами являются производство продуктов питания, напитков и лекарств. Периодические процессы обычно используются для производства относительно небольшого или промежуточного количества продукта в год (от нескольких фунтов до миллионов фунтов).

Непрерывная физическая система представлена ​​через переменные, которые плавны и непрерывны во времени. Например, регулирование температуры воды в нагревательной рубашке является примером непрерывного управления технологическим процессом. Некоторые важные непрерывные процессы - это производство топлива, химикатов и пластмасс. Непрерывные производственные процессы используются для производства очень больших объемов продукции в год (от миллионов до миллиардов фунтов). Такие элементы управления используют обратную связь, например, в ПИД-регуляторе . ПИД-регулятор включает функции пропорционального, интегрирующего и производного регуляторов.

Приложения, содержащие элементы управления периодическим и непрерывным процессом, часто называют гибридными приложениями.

Контур управления [ править ]

Пример непрерывного контура управления потоком. Сигнализация осуществляется с помощью стандартных токовых петель 4–20 мА, а «интеллектуальный» позиционер клапана обеспечивает правильную работу регулирующего клапана .

Основным строительным блоком любой промышленной системы управления является контур управления , который управляет только одной переменной процесса. Пример показан на прилагаемой диаграмме, где расход в трубопроводе регулируется ПИД-регулятором, которому помогает то, что фактически является каскадным контуром в виде сервоконтроллера клапана, чтобы гарантировать правильное положение клапана.

Некоторые большие системы могут иметь несколько сотен или тысяч контуров управления. В сложных процессах циклы интерактивны, поэтому работа одного цикла может влиять на работу другого. Системная диаграмма для представления контуров управления - это схема трубопроводов и КИПиА .

Обычно используемые контроллеры - это программируемый логический контроллер (ПЛК), распределенная система управления (DCS) или SCADA .

Пример системы контроля уровня реактора непрерывного действия с мешалкой . Регулятор потока в резервуар будет отключен от регулятора уровня.

Показан еще один пример. Если бы регулирующий клапан использовался для поддержания уровня в резервуаре, контроллер уровня сравнил бы эквивалентное показание датчика уровня с заданным значением уровня и определил, необходимо ли большее или меньшее открытие клапана для поддержания постоянного уровня. Затем каскадный регулятор потока может рассчитать изменение положения клапана.

Экономические преимущества [ править ]

Экономический характер многих продуктов, производимых в периодическом и непрерывном процессах, требует высокоэффективной работы из-за низкой прибыли. Конкурирующим фактором в управлении процессом является то, что продукты должны соответствовать определенным спецификациям, чтобы быть удовлетворительными. Эти спецификации могут быть двух видов: минимальные и максимальные для свойства материала или продукта или диапазон, в котором свойство должно находиться. [7] Все контуры восприимчивы к нарушениям, поэтому в заданных точках процесса необходимо использовать буфер, чтобы гарантировать, что нарушения не приведут к выходу материала или продукта за пределы технических характеристик. Этот буфер требует экономических затрат (например, дополнительная обработка, поддержание повышенных или пониженных условий процесса и т. Д.).

Эффективность процесса можно повысить за счет уменьшения маржи, необходимой для обеспечения соответствия спецификациям продукта. [7] Это можно сделать, улучшив управление процессом, чтобы минимизировать влияние возмущений на процесс. Эффективность повышается за счет двухэтапного метода сужения дисперсии и смещения цели. [7] Прибыль может быть уменьшена за счет различных модернизаций процесса (например, модернизации оборудования, улучшенных методов контроля и т. Д.). После того, как пределы сужаются, можно провести экономический анализ процесса, чтобы определить, как следует сместить целевое значение уставки. Менее консервативные настройки процесса приводят к повышению экономической эффективности. [7] Эффективные стратегии управления процессами увеличивают конкурентное преимущество производителей, которые их нанимают.

См. Также [ править ]

  • Привод
  • Автоматизация
  • Автоматический контроль
  • Проверить весы
  • Контроллер с обратной связью
  • Техника управления
  • Контур управления
  • Панель управления
  • Система контроля
  • Теория управления
  • Управляемость
  • Контроллер (теория управления)
  • Круиз-контроль
  • Текущая петля
  • Цифровое управление
  • Распределенная система управления
  • Обратная связь
  • Прямая связь
  • Fieldbus
  • Управления клапаном
  • Нечеткая система управления
  • Планирование усиления
  • Интеллектуальное управление
  • Преобразование Лапласа
  • Линейное управление с изменением параметров
  • Инструменты измерения
  • Прогностический контроль модели
  • Негативный отзыв
  • Нелинейное управление
  • Контроллер без обратной связи
  • Оперативный историк
  • Пропорциональный контроль
  • ПИД-регулятор
  • Схема трубопроводов и КИПиА
  • Положительный отзыв
  • Возможности процесса
  • Программируемый логический контроллер
  • Регулятор (автоматическое управление)
  • SCADA
  • Сервомеханизм
  • Уставка
  • График потока сигналов
  • ПЛК Simatic S5
  • Управление скользящим режимом
  • Контроль температуры
  • Преобразователь
  • Клапан
  • Ватт губернатор
  • Мониторинг управления технологическим процессом

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Янг, Уильям Y; Сврчек, Дональд П.; Махони, Брент Р. (2014). «1: Краткая история управления и моделирования». Подход к управлению процессами в реальном времени (3-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Соединенное Королевство: John Wiley & Sons Inc., стр. 1-2. ISBN 978-1119993872.
  2. ^ Minorsky, Николас (1922). «Курсовая устойчивость автоматически управляемых кузовов». J. Amer. Soc. Naval Eng . 34 (2): 280–309. DOI : 10.1111 / j.1559-3584.1922.tb04958.x .
  3. ^ Беннетт, Стюарт (1993). История контрольной техники 1930-1955 гг . Лондон: Peter Peregrinus Ltd. От имени Института инженеров-электриков. п. 67. ISBN 978-0-86341-280-6.
  4. ^ Беннетт, Стюарт (1996). «Краткая история автоматического управления» (PDF) . Журнал IEEE Control Systems . 16 (3): 17–25. DOI : 10.1109 / 37.506394 . Архивировано из оригинального (PDF) 09.08.2016 . Проверено 25 марта 2018 .
  5. ^ Бекетт, Б. Уэйн (2003). Управление процессами: моделирование, проектирование и моделирование (серия Prentice-Hall International по физической и химической инженерии. Ред.). Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall PTR. С. 57–58. ISBN 978-0133536409.
  6. ^ https://www.mindsmapped.com/difference-between-continuous-and-batch-process/
  7. ^ a b c d Смит, CL (март 2017 г.). «Управление процессами в обрабатывающих отраслях - Часть 2: Характеристики устойчивого состояния». Прогресс химического машиностроения : 67–73.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Уокер, Марк Джон (2012-09-08). Программируемый логический контроллер: его предыстория, возникновение и применение (PDF) (кандидатская диссертация). Отделение связи и систем факультета математики, вычислений и технологий: Открытый университет . Архивировано (PDF) из оригинала 20.06.2018 . Проверено 20 июня 2018 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Открытый учебник по динамике и контролю процессов химической инженерии штата Мичиган
  • Виртуальная лаборатория ПИД-регулирования, бесплатные видеоуроки, on-line симуляторы, расширенные схемы управления технологическими процессами