RU2306590C1 - Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака - Google Patents

Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака Download PDF

Info

Publication number
RU2306590C1
RU2306590C1 RU2006103462/09A RU2006103462A RU2306590C1 RU 2306590 C1 RU2306590 C1 RU 2306590C1 RU 2006103462/09 A RU2006103462/09 A RU 2006103462/09A RU 2006103462 A RU2006103462 A RU 2006103462A RU 2306590 C1 RU2306590 C1 RU 2306590C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
compensators
output
invariant
outputs
circulating gas
Prior art date
Application number
RU2006103462/09A
Other languages
English (en)
Inventor
шов Владимир Сергеевич Кудр (RU)
Владимир Сергеевич Кудряшов
занцев Сергей Васильевич Р (RU)
Сергей Васильевич Рязанцев
Андрей Валентинович Иванов (RU)
Андрей Валентинович Иванов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия
Priority to RU2006103462/09A priority Critical patent/RU2306590C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2306590C1 publication Critical patent/RU2306590C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

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.

Description

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:
Figure 00000002
где
Figure 00000003
- температура по основному (k=j) или перекрестному (k≠j) каналу;
Figure 00000004
- 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); au[k][j], bu[k][j],
Figure 00000005
- параметры и число тактов запаздывания разностного уравнения основного или перекрестного канала; af[h][j], bf[h][j],
Figure 00000006
- 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:
Figure 00000007
Применяя оператор сдвига z уравнения связи по каналам, описываются с использованием дискретных передаточных функций W(z):
Figure 00000008
где z - оператор сдвига;
Figure 00000009
- дискретная передаточная функция по основному, (k=j) или перекрестному (k≠j) каналу,
Figure 00000010
,
Figure 00000011
;
Figure 00000012
- дискретная передаточная функция по каналу возмущения
Figure 00000013
,
Figure 00000014
.
Основные каналы:
Figure 00000015
,
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
- расходы БП1-БП4 на первый-четвертый слои катализатора (u[1]-u[4]) - температура в соответствующем слое (уu[1][1]-y[4][4]).
Перекрестные каналы:
Figure 00000019
,
Figure 00000020
,
Figure 00000021
- расход БП1 (u[1]) - температура во 2-4 слоях (yu[1][2]-yu[1][4]);
Figure 00000022
,
Figure 00000023
- расход БП2 (u[2]) - температура в 3-4 слоях (Уu[2][3]-yu[2][4]);
Figure 00000024
- расход БПЗ (u[3]) - температура в 4 слое (yu[3][4]).
Каналы возмущений:
Figure 00000025
,
Figure 00000026
,
Figure 00000027
,
Figure 00000028
- концентрация аммиака в циркуляционном газе на входе в колонну (f[1]) - температура в соответствующем слое (yf[1][1]-yf[1][4]);
Figure 00000029
,
Figure 00000030
,
Figure 00000031
,
Figure 00000032
- концентрация инертных газов на входе в колонну (f[2]) - температура в соответствующем слое (уf[2][1]-yf[2][4]);
Figure 00000033
,
Figure 00000034
,
Figure 00000035
,
Figure 00000036
- соотношение концентраций водорода и азота на входе в колонну (f[3]) - температура в соответствующем слое (yf[3][1]-yf[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 uu[1]-uu[4], которые формируются в соответствии с алгоритмом цифрового управления:
Figure 00000037
где
Figure 00000038
- настроечные параметры соответствующего цифрового регулятора; ku[j] - порядок цифрового алгоритма управления; е[j]=уз[j]-у[j] - рассогласование между заданным (yз[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 uu вырабатывают компенсирующие сигналы по разностному уравнению:
Figure 00000039
где
Figure 00000040
- выход автономного компенсатора, устраняющего перекрестное влияние h-го байпасного потока на температуру в j-ом слое катализатора; puk[h][j], quk[h][j], duk[h][j] - параметры и число тактов запаздывания разностного уравнения автономного компенсатора перекрестной связи; kuk, nuk - порядки полиномов.
Уравнение связи предлагаемой системы управления в векторно-матричной форме имеет вид [1]:
Figure 00000041
где y=[y[1], у[2], у[3], у[4]]Т - вектор выходов (температура в каждом слое катализатора); уЗ=[уЗ[1], уЗ[2], уЗ[3], уЗ[4]]T - вектор заданий по температурам; f=[f[1], f[2], f[3]]T - вектор возмущений; I - единичная матрица (4×4);
Figure 00000042
- 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:
Figure 00000043
Figure 00000044
- матрица дискретных передаточных функций основных и перекрестных каналов объекта;
Figure 00000045
- диагональная матрица желаемых эквивалентных [1] дискретных передаточных функций каналов объекта;
Figure 00000046
- матрица дискретных передаточных функций компенсаторов перекрестных связей.
Используя обратное z-преобразование, осуществляется переход от дискретных передаточных функций
Figure 00000047
к конечно-разностным уравнениям (5).
В качестве желаемых передаточных функций Wж[j], определяющих эквивалентные каналы, приняты передаточные функции основных каналов:
Figure 00000048
В этом случае после перемножения матриц в (6) следует, что:
Figure 00000049
При выполнении условия автономности оптимизация настроечных параметров
Figure 00000038
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:
Figure 00000050
где
Figure 00000051
- выход инвариантного компенсатора возмущения, компенсирующего влияние h-го возмущения на температуру в j-ом слое катализатора);
pfk[h][j], qfk[h][j], dfk[h][j] - параметры и число тактов запаздывания разностного уравнения инвариантного компенсатора; kfk, nfk - порядки полиномов.
Расчет дискретных передаточных функций инвариантных компенсаторов возмущений осуществляется исходя из матричного уравнения (6):
Figure 00000052
где
Figure 00000053
- матрица передаточных функций цифровых компенсаторов возмущений;
Figure 00000054
- матрица дискретных передаточных функций объекта по каналам возмущений.
Используя обратное z-преобразование, осуществляется переход от дискретных передаточных функций
Figure 00000055
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.

Claims (1)

  1. 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.
RU2006103462/09A 2006-02-06 2006-02-06 Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака RU2306590C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006103462/09A RU2306590C1 (ru) 2006-02-06 2006-02-06 Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006103462/09A RU2306590C1 (ru) 2006-02-06 2006-02-06 Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2306590C1 true RU2306590C1 (ru) 2007-09-20

Family

ID=38695389

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006103462/09A RU2306590C1 (ru) 2006-02-06 2006-02-06 Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2306590C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2552891C1 (ru) * 2011-07-20 2015-06-10 Альстом Текнолоджи Лтд Способ регулирования

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2552891C1 (ru) * 2011-07-20 2015-06-10 Альстом Текнолоджи Лтд Способ регулирования
US9515593B2 (en) 2011-07-20 2016-12-06 General Electric Technology Gmbh Regulation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Performance-based adaptive fuzzy tracking control for networked industrial processes
Seki et al. Industrial application of a nonlinear model predictive control to polymerization reactors
Skogestad Plantwide control: The search for the self-optimizing control structure
Minh Modeling and control of distillation column in a petroleum process
WO2009084422A1 (ja) 流量比率制御装置
US6314992B1 (en) Fluid-switchable flow rate control system
Donahue et al. Dividing wall column control: Common practices and key findings
NO322812B1 (no) Fremgangsmate og anordning for regulering av en prosess
Seki et al. Plantwide control system design of the benchmark vinyl acetate monomer production plant
Giwa et al. Decoupling control of a reactive distillation process using Tyreus-Luyben Technique
RU2306590C1 (ru) Цифровая многосвязная система управления процессом синтеза аммиака
Nogueira et al. Dynamics of a true moving bed separation process: Linear model identification and advanced process control
Mahindrakar et al. Dynamics and control of benzene hydrogenation via reactive distillation
FI88343C (fi) Foerfarande och anordning foer beaktande av varierande volym och floede vid reglering av genomstroemningsprocesser
JP3552064B2 (ja) 水素製造装置の制御方法及びその装置
Groebel et al. Asymptotically exact I/O-linearization of an industrial distillation column
Marquez-Ruiz et al. Optimal operation and control of fluidized bed membrane reactors for steam methane reforming
Mauricio-Iglesias et al. Control assessment for heat integrated systems. An industrial case study for ethanol recovery
RU81184U1 (ru) Многосвязная система управления карбонизационной колонной
Dering et al. Dynamic Real–Time Optimization with Closed-Loop Prediction for Nonlinear MPC–Controlled Plants
Xinke et al. Modelling and minimum variance covariance constrained control of acetylene hydrogenation industrial device
Engell A procedure for systematic control structure selection with application to reactive distillation
Kossack et al. Combining shortcut methods and rigorous MINLP optimization for the design of distillation processes for homogeneous azeotropic mixtures
Couturier Advanced control strategy for a digital mass flow controller
Govindarajan et al. Cascaded process model based control: Packed absorption column application

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080207