Спосіб керування температурним режимом колони синтезу аміаку на основі нечіткої логіки

Реферат: Спосіб керування температурним режимом колони синтезу аміаку на основі нечіткої логіки включає регулювання температур в середовищі каталізаторів і корегування впливів регуляторів на витрати газових потоків через байпаси азотно-водневої суміші на основі інформації про властивості газових потоків на вході і виході колони. Крім цього додатково вимірюють тиски в середовищі каталізаторів. UA 119806 U (12) UA 119806 U UA 119806 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі автоматичного керування технологічними процесами і може бути використана для технологічних об'єктів з розподілом температури за висотою, таких як колона синтезу аміаку. Запропонований спосіб може бути застосований для збільшення продуктивності технологічного процесу за рахунок підвищення ефективності керування температурним режимом у колоні синтезу аміаку при зміні властивостей вхідної речовини і активності каталізатора. Відомий спосіб управління колоною синтезу аміаку, в якому оцінюють перебіг процес синтезу аміаку у двополичній колоні за температурами газів на вході в колону та виході з першої полиці каталізатора, швидкістю зміни температури газу на виході з першої полиці колони, вмістом водню у циркуляційному газі, тиском у системі синтезу аміаку, витратою циркуляційного газу в колону, температурою живильної води на виході з підігрівника, а керувальними впливами на процес, які розраховують на основі нечіткої логіки, є положення заслінок на основному вхідному потоці газу у колону, на гарячих байпасах у колону та на трубопроводах подачі води у підігрівник та продувочних газів [Совершенствование системы управления колонной синтезу аммиака на основе нечеткой логики / А.В. Чупин, К.А. Гончаров, А.С. Антипов // Вестник Кузбасского государственного технического университета "КузГТУ". - 2005. - № 2. - С. 71-72]. Недоліком є те, що цей спосіб не враховує відмінність між концентраціями аміаку на вході і виході колони, температури на інших полицях крім першої, тиски у міжполичному просторі, а запропоновані керувальні впливи не відображають у явному вигляді вимог до перебігу процесу синтезу, а саме вимог до значень температур в середовищі каталізаторних полиць, що призводить до відхилення умов реакцій між воднем і азотом від оптимальних, що зменшує якість керування, у результаті чого зменшується продуктивність колони синтезу. Відомий спосіб керування процесом синтезу аміаку, що передбачає керування температури у зоні реакції колони синтезу при зміні подачі циркуляційного газу по холодному байпасу на вихід колони синтезу, враховуючи при цьому силу струму, який проходить по спіралі нагрівача колони, витрати свіжої азотно-водневої суміші (ABC) і циркуляційного газу (ЦГ); концентрацію аміаку на вході і виході колони; температури циркуляційного газу на вході колони і газу на виході колони. Розраховують відношення суми витрат ABC і ЦГ до перепаду температур на колоні, порівнюють поточне значення температури в зоні реакції з заданим значенням і при перевищенні температури першого заданого значення змінюють подачу ЦГ по байпасу на виході колони синтезу в залежності від квадрату сили струму, що протікає по спіралі нагрівача колони з корекцією параметрів налаштування регулятора температури в зоні реакції за ступенем конверсії ABC, суми витрат ABC і ЦГ та відношення суми витрат ABC і ЦГ до перепаду температур на колоні. Коригують параметри регулятора температури: коефіцієнт підсилення, час ізодрому і час упередження, а також коефіцієнт підсилення вентиля байпаса подачі циркуляційної суміші на виході колони синтезу [авторське свідоцтво СРСР № 1270114, кл. С01С 1/04, G05D 27/00, заявлено 19.03.1985, опубліковано 15.11.1986, бюл. № 42]. Недоліками цього способу є те, що при керуванні не враховують тиск газу у колоні синтезу; контроль за процесом синтезу аміаку та керування відбувається тільки в одному місці колони; значення витрат і температур газових потоків та концентрацій аміаку на вході і виході колони використовують тільки для коригування параметрів налаштування регулятора температури, залишаючи незмінним завдання для регулятора, тобто температуру у колоні підтримують однаковою при зміні властивостей сировини і активності каталізатора. Найбільш близьким є спосіб автоматичного керування колоною синтезу аміаку, який передбачає регулювання температур у декількох шарах каталізатора на заданих рівнях, одночасно з цим вимірюють співвідношення між азотом і воднем, а також концентрації аміаку та інертних домішок в азотно-водневій суміші на вході колони, зазначені властивості ABC використовують для розрахунку сигналів компенсації перехресних зв'язків між температурами у сусідніх шарах каталізатора з метою коригування вихідних сигналів регуляторів температур для впливу на керувальні заслінки байпасних каналів подачі ABC у зони між шарами каталізаторів [Моделирование и синтез цифровой многосвязной системы управления процессом получения аммиака: монографія / B.C. Кудряшов, С.В. Рязанцев, А.В. Иванов; Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж: ВГТА, 2011. - 171 с.]. Недоліком відомого способу є те, що в ньому не враховують концентрацію аміаку на виході колони для визначення ступеня взаємодії азоту і водню в колоні, а також тиску в колоні. Крім цього у цьому способі не корегують завдання для регуляторів температури в залежності від властивостей сировини і активності каталізатора, залишаючи температурне поле незмінним, що зменшує ефективність керування та продуктивність роботи колони синтезу. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу керування температурним режимом колони синтезу аміаку на основі нечіткої логіки, який включає 1 UA 119806 U 5 10 15 регулювання температур в середовищі каталізаторів і корегування впливів регуляторів на витрати газових потоків через байпаси азотно-водневої суміші на основі інформації про властивості газових потоків на вході і виході колони. Поставлену задачу вирішують тим, що виконують регулювання температур в середовищі каталізаторів і корегування впливів регуляторів на витрати газових потоків через байпаси азотно-водневої суміші на основі інформації про властивості газових потоків на вході і виході колони. Новим є те, що додатково вимірюють тиски в середовищі каталізаторів. Новим є те, що на основі поточних температури і тиску в середовищі першого каталізатора та співвідношення концентрацій аміаку на виході і вході колони розраховують завдання для регулятора температури в середовищі першого каталізатора за допомогою нечіткої логіки. Новим є те, що на основі поточних температур і тиску, а також температур в середовищі попередніх каталізаторів розраховують завдання для регуляторів температури в середовищі кожного каталізатора, починаючи з другого, за допомогою нечіткої логіки. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 зображена схема автоматизації, що реалізує запропонований спосіб керування. Спосіб керування реалізується наступним чином. Вимірюють концентрації аміаку в азотно-водневій суміші на вході колони 1 Cв х пристроєм NH 3 2 і в циркуляційних газах на виході з неї 20 цими концентраціями Y  Cв х NH 3 25 30 35 40 45 50 55 в их CNH в их CNH 3 пристроєм 3, розраховують співвідношення між у пристрої 4. В середовищі каталізаторів К1, К2, К3 3 колони синтезу вимірюють тиски газів пристроями 5, 7, 9 та температури пристроями 6, 8, 10 відповідно. Значення температури, яку потрібно забезпечувати в середовищі К1, розраховують у блоці нечіткого висновку 11 за інформацією від пристроїв 4, 5 та 6. Кожний блок нечіткого висновку виконує фазифікацію інформації від вимірювальних пристроїв, використовує базу нечітких правил та виконує дефазифікацію для розрахунку чіткого (одного) значення завдання для кожного з ПІ-регуляторів. Функції належності і правила продукції отримані на підставі досвіду експертів. При фазифікації інформацію від пристроїв 4, 5 та 6 розглядають як вхідні лінгвістичні змінні блока 11 - "Співвідношення концентрацій", "Тиск К1", "Температура К1" відповідно. їхні дійсні значення переводять у нечіткі значення за допомогою функцій належності, наведених на Фіг. 2, Фіг. 3, Фіг. 4 відповідно. Вихідний сигнал блока 11 розглядають як лінгвістичну змінну "Завдання регулятора 14", його функції належності - на Фіг. 5. У блок 11 закладають наступну базу нечітких правил: ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 "Дуже високе" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 "Високе" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Збільшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 "Високе" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 " Збільшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Нормальне" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 " Збільшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 "Нормальне" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Низьке" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Зменшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 "Високе" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 "Збільшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Нормальне" 2 UA 119806 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 "Збільшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 "Нормальне" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Зменшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 "Нормальне" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 "Зменшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Нормальне" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Низьке" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 "Збільшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 "Нормальне" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Низький" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Зменшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 "Нормальне" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 "Зменшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Нормальний" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Низьке" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 14 "Зменшене" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 14 "Низьке" ЯКЩО Співвідношення концентрацій "Високе" та Тиск К1 "Високий" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 14 "Дуже низьке". Використовуючи названі правила продукції та дефазифікацію, у 11 визначають значення температури, яке треба підтримувати в середовищі К1. Вихід 11 подають разом з дійсним значення температури в середовищі К1 від пристрою 6 на вхід регулятора 14, а керувальний сигнал з 14 направляють на виконавчий механізм 17, що змінює витрату ABC через байпас 1. Значення температури, яку потрібно забезпечувати в середовищі К2, розраховують у блоці нечіткого висновку 12 за інформацією від пристроїв 7, 8 та пристрою 6, який характеризує температуру в середовищі К1. При фазифікації інформацію від пристроїв 7, 8 та 6 розглядають як вхідні лінгвістичні змінні блока 12 - "Тиск К2", "Температура К2", "Температура К1" відповідно. їхні дійсні значення переводять у нечіткі за допомогою функцій належності, наведених на Фіг. 6, Фіг. 7 та Фіг. 4 відповідно. Вихідний сигнал блока 12 розглядають як лінгвістичну змінну "Завдання регулятора 15", його функції належності - на Фіг. 8. У блок 12 закладають наступну базу нечітких правил: ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Дуже високе" ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Високе" ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Високе" ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Нормальне" 3 UA 119806 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ЯКЩО Тиск К2 "Низький" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Високе" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К2 "Нормальний" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Низьке" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Низька" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Нормальна" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Низьке" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Низька", ТО Завдання 15 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Нормальна", ТО Завдання 15 "Низьке" ЯКЩО Тиск К2 "Високий" та Температура К2 "Висока" та Температура К1 "Висока", ТО Завдання 15 "Дуже низьке". Використовуючи названі правила продукції та дефазифікацію, у 12 визначають значення температури, яке треба підтримувати в середовищі К2. Вихід 12 подають разом з дійсним значення температури в середовищі К2 від пристрою 8 на вхід регулятора 15, а керувальний сигнал з 15 направляють на виконавчий механізм 18, що змінює витрату ABC через байпас 2. Значення температури, яку потрібно забезпечувати в середовищі К3 колони, розраховують у блоці нечіткого висновку 13 за інформацією від пристроїв 9, 10 та пристрою 8, який характеризує температуру в середовищі попереднього каталізатора К2. При фазифікації інформацію від пристроїв 9, 10 та 8 розглядають як вхідні лінгвістичні змінні блока 13 "Тиск К3", "Температура К3" та "Температура К2" відповідно. Їхні дійсні значення переводять у нечіткі за допомогою функцій належності, наведених на Фіг. 9, Фіг. 10 та Фіг. 7 відповідно. Вихідний сигнал блока 13 розглядають як лінгвістичну змінну "Завдання регулятора 16", його функції належності - на Фіг. 11. У блок 13 закладають наступну базу нечітких правил: ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3 "Низька" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 "Дуже високе" ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3З "Низька" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 "Високе" ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3 "Низька" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 "Високе" 4 UA 119806 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 " Збільшене" ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 " Збільшене" ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К3 "Низький" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Низька" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 "Високе" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Низька" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Низька" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К3 "Нормальний" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Низьке" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Низька" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 "Збільшене" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Низька" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Низька" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 "Нормальне" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Нормальна" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Низьке" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Низька", ТО Завдання 16 "Зменшене" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Нормальна", ТО Завдання 16 "Низьке" ЯКЩО Тиск К3 "Високий" та Температура К3 "Висока" та Температура К2 "Висока", ТО Завдання 16 "Дуже низьке". Використовуючи названі правила продукції та дефазифікацію, у 13 визначають значення температури, яке треба підтримувати в середовищі К3. Вихід 13 подають разом з дійсним значення температури в середовищі К3 від пристрою 10 на вхід регулятора 16, а керувальний сигнал з 16 направляють на виконавчий механізм 19, що змінює витрату ABC через байпас 3. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Спосіб керування температурним режимом колони синтезу аміаку на основі нечіткої логіки, що включає регулювання температур в середовищі каталізаторів і корегування впливів регуляторів на витрати газових потоків через байпаси азотно-водневої суміші на основі інформації про властивості газових потоків на вході і виході колони, який відрізняється тим, що додатково вимірюють тиски в середовищі каталізаторів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що на основі поточних температури і тиску в середовищі першого каталізатора та співвідношення концентрацій аміаку на виході і вході 5 UA 119806 U 5 колони розраховують завдання для регулятора температури в середовищі першого каталізатора за допомогою нечіткої логіки. 3. Спосіб за будь-яким з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що на основі поточних температури і тиску, а також температури в середовищі попереднього каталізатора розраховують завдання для регуляторів температури в середовищі кожного каталізатора, починаючи з другого, за допомогою нечіткої логіки. 6 UA 119806 U 7 UA 119806 U 8 UA 119806 U 9 UA 119806 U 10 UA 119806 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11