Автоматизація керування процесом аерозольного нанокаталізу в системах утилізації відходів хлорорганічного синтезу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 681.513.2

Автоматизація керування процесом аерозольного нанокаталізу в системах утилізації відходів хлорорганічного синтезу

05.13.07 - автоматизація процесів керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Кардашук Володимир Сергійович

Харків 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному інституті Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Рязанцев Олександр Іванович, Технологічний інститут Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк), доцент, завідувач кафедри комп'ютерної інженерії.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Удовенко Сергій Григорович,Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, професор кафедри електронних обчислювальних машин;

доктор технічних наук, професор Краснобаєв Віктор Анатолійович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, м. Харків, професор кафедри автоматизації та комп'ютерно-інтегрованих технологій.

Захист відбудеться «16» червня 2010 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.08 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «14» травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.052.08 І.П. Плісс

нанокаталіз аерозольний хлорорганічний автоматизація

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні технологічні процеси хлорорганічного синтезу неминуче призводять до накопичення відходів, що містять хлор. Пріоритетною задачею промислової екології на сучасному етапі є кваліфікована переробка відходів хлорорганічного синтезу.

Пошук технології з широким спектром знешкодження відходів хлорорганічного синтезу привів до створення нової вітчизняної технології - аерозольного нанокаталізу у віброзрідженому шарі (в подальшому - аерозольний нанокаталіз), який має переваги порівняно з традиційним каталізом на носіях, що забезпечує зростання швидкості реакції в 10⁴-10⁶ разів у розрахунку на масу каталізатора, зниження його кількості до 1-5 г/м³ реактора, збільшення продуктивності одиниці об'єму реактора в 3-10 разів, відмову від використання газу в процесі утилізації, заощадження електроенергії за рахунок зменшення температури реакції.

Застосування процесу аерозольного нанокаталізу в промислових масштабах стримується через відсутність ефективної системи автоматизації. Актуальною задачею в зв'язку з цим є подальший розвиток наукових досліджень в області автоматизації процесів аерозольного нанокаталізу з застосуванням сучасних методів керування та програмно-технічних засобів, що дозволило б суттєво підвищити екологічну безпеку утилізації відходів хлорорганічного синтезу.

Дисертаційна робота розвиває новий перспективний напрямок використання нанотехнологій - підвищення ефективності процесу аерозольного нанокаталізу для утилізації широкого спектру відходів хлорорганічного синтезу за рахунок впровадження автоматизації керування з використанням сучасних програмно-технічних засобів.

Слід відзначити, що процес аерозольного нанокаталізу знаходиться в стадії активної розробки: зокрема, пілотна установка досліджується в ВАТ «Саянськхімпласт» (м. Саянськ, Російська Федерація), м. Хеслехолме (Швеція), в Технологічному інституті Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк) та в ТОВ „НТЦ ”Хіммодерн” (м. Сєвєродонецьк). Разом з тим невирішеними залишаються деякі важливі питання, пов'язані з розробкою математичних моделей підсистем, структури та методів керування процесом аерозольного нанокаталізу.

Таким чином, створення ефективної системи автоматизації цифрового керування процесом аерозольним нанокаталізом на основі застосування сучасних обчислювальних засобів та розробки ефективних методів керування є актуальною науково-технічною проблемою, вирішення якої спрямовано на поліпшення екологічної безпеки на підприємствах, пов'язаних з використанням хлорорганічного синтезу.

Значний вклад у розвиток теоретичних та практичних аспектів автоматизації цифрового керування складними хіміко-технологічними процесами у реальному часі внесли Т. Вільямс, Р. Френкс, В.В. Кафаров, О.І. Бояринов, Е.Л. Іцкович, Й.І. Стенцель, В.В. Єлісєєв та інші вчені. Деякі результати їх досліджень були корисними для постановки та реалізації науково-технічних задач, що вирішуються в дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковим програмами, планами, темами.

Дисертаційну роботу виконано в Технологічному інституті Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк) в рамках держбюджетних НДР «Розробка програмно-технічного комплексу хімічного виробництва» (№ ДР 0104U000391) та «Проектування муніципальної комп'ютерної системи з використанням інформаційних технологій» (№ ДР 0103U007993), а також в рамках госпдоговірних НДР № 14 «Аналіз роботи існуючої системи спостереження за станом повітря та дослідження джерел впливу на стан повітря в

м. Сєвєродонецьк» та № 26 «Розробка структури інформаційної системи міського екологічного моніторингу». У зазначених роботах автор приймав безпосередню участь як виконавець.

Робота є складовою частиною наукових досліджень кафедри комп'ютерної інженерії та кафедри технології органічних речовин та палива Технологічного інституту Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк).

Мета та завдання дослідження. Метою даної роботи є розробка та реалізація методів автоматизованого керування процесом аерозольного нанокаталізу в системах утилізації відходів хлорорганічного синтезу, що дозволяють підвищити якість вихідного продукту за рахунок знешкодження хлору як одного із небезпечних чинників забруднення навколишнього середовища.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі:

1. Здійснити аналіз процесу аерозольного нанокаталізу як об'єкту автоматизованого керування, в тому числі дослідити взаємозв'язок технологічних підсистем цього процесу та вплив їх основних параметрів на ефективність керування.

2. Розробити математичну модель процесу аерозольного нанокаталізу, яка може бути використана в реальному часі в підсистемах цифрового керування.

3. Розробити ефективні методи цифрового керування основними технологічними підсистемами процесу аерозольного нанокаталізу з метою підвищення якості вихідного продукту.

4. Розробити дворівневу систему автоматизації керування процесом аерозольним нанокаталізом у реальному часі з застосуванням запропонованих методів та сучасних програмно-технічних засобів.

5. Здійснити імітаційне моделювання та аналіз ефективності запропонованої системи автоматизації.

Об'єкт дослідження - система автоматизації керування процесом аерозольного нанокаталізу.

Предмет дослідження - методи та програмно-технічні засоби для створення системи автоматизації керування процесом аерозольного нанокаталізу.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи були використані методи теорії автоматичного керування, що дозволили удосконалити існуючі підсистеми автоматизованого керування процесом аерозольного нанокаталізу; експериментального та аналітичного моделювання хіміко-технологічних процесів, що дозволили отримати модель процесу аерозольного нанокаталізу, яка може бути використана в реальному часі в підсистемах цифрового керування; а також методи комп'ютерного моделювання динаміки систем керування, що підтвердили перспективність реалізації отриманих теоретичних результатів.

Основні теоретичні положення і результати перевірялись з використанням програмних засобів на базі операційної системи реального часу QNX v.4.25 фірми QSSL (QNX Software System Ltd.), програми побудови алгоритмічних компонентів та програмних модулів PC-CAPS v.4.51 з пакету P-CAD фірми Altium, мови програмування та транслятора Watcom C++, графічної оболонки Photon microGUI, системи відображення Photon Application Builder фірми QSSL, SCADA-системи «Уніконт-М», SCADA-системи «Кварц», програмно-логічного контролера Fastwell на базі процесора CPU686 фірми Octagon Systems.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше проведено декомпозицію процесу аерозольного нанокаталізу на технологічні підсистеми як складного багатозв'язного об'єкту автоматизації, що дозволило дослідити вплив кожної підсистеми на кінцевий результат керування.

2. Удосконалено математичну модель процесу аерозольного нанокаталізу, яка на відміну від існуючої базується на комплексному використанні фізико-хімічних рівнянь процесів, що протікають в реакторі, рівнянь матеріального та теплового балансів, а також результатів експериментальної ідентифікації динамічних властивостей окремих ланок процесу.

3. Вперше запропоновано структуру та методи реалізації дворівневої системи автоматизації керування процесом аерозольного нанокаталізу в системах утилізації відходів хлорорганічного синтезу, що забезпечує в стаціонарному режимі максимальний питомий вихід продуктів утилізації, підтримку технологічних параметрів на заданому рівні та дозволяє здійснювати моніторинг процесу в реальному часі.

Практичне застосування одержаних результатів:

1. Розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє досліджувати динамічні характеристики та проводити моделювання процесу аерозольного нанокаталізу в режимі реального часу.

2. Розроблено прикладні програми керування процесом аерозольного нанокаталізу з використанням операційної системи реального часу QNX v. 4.25 та пакету «Уніконт-М».

3. Отримані результати дозволили застосувати методи автоматизації керування для утилізації широкого спектру відходів хлорорганічного синтезу, зокрема, діхлоретану, хлорбензолу та хлорексу.

4. Результати дисертаційної роботи використано в навчальних курсах „Автоматизовані інформаційні системи”, „Автоматизація проектування комп'ютерних систем”, дипломному проектуванні для студентів спеціальностей 7.091501 і 7.091502 в Технологічному інституті Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк), що підтверджено актом від 14.09.2009, та впроваджено в ТОВ “НВП ”Уніконт” (м. Сєвєродонецьк), що підтверджено актом від 16.09.2009.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, авторові належить: [1] - структура системи екологічного моніторингу навколишнього середовища з використанням засобів вимірювальної та обчислювальної техніки; [2] - багатоканальний блок вводу-виводу для застосування в технологічних системах знешкодження відходів хімічних виробництв; [3, 4] - методи організації, підключення, захист від впливу параметрів лінії зв'язку та підвищення надійності передач даних в системах автоматизації; [5] - структура системи автоматизації керування процесом знешкодження відходів хімічних виробництв по технології аерозольного нанокаталізу; [6] -- математична модель процесу аерозольного нанокаталізу для автоматизації керування; [7] - дослідження експериментальних даних процесу аерозольного нанокаталізу з використанням чисельних методів; [8] - структура програмної реалізації системи екологічного моніторингу, яка містить в собі редактор побудови мнемосхем і логічних зв'язків елементів, графічну підсистему, систему архівації даних, програмні засоби інтерфейсу та алгоритм роботи системи; моделювання вузлів системи автоматизації керування з використанням програми Electronic Workbench; [9] - програмна реалізація системи екологічного моніторингу; [10] - методи організації блоків вводу-виводу для систем екологічного моніторингу; [11] - схема підключення ліній зв'язку в мережі інтерфейсу системи автоматизації; [12] - двоканальний контролер мережі RS-485 для застосування в системах автоматизації технологічних процесів; [14] - методи керування процесом знешкодження відходів хімічних виробництв.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 9-й Міжнародній науково-практичній конференції проблем вищої школи «Університет і регіон» (Луганськ, 2003); 9-й, 10-й, 11-й та 12-й Всеукраїнських науково-практичних конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених з міжнародною участю (Сєвєродонецьк, 2006 - 2009 ); 2-й Міжнародній науково-практичній конференції «Информационные технологии в научных исследованиях и учебном процессе» (Луганськ, 2006); 5-й та 6-й Міжнародних науково-практичних конференціях «Інформаційні технології і безпека в управлінні» (Євпаторія, 2008, 2009); 5-й Міжнародній конференції «Стратегія якості в промисловості і освіті» (Варна, Болгарія, 2009).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 14 наукових працях, з них 7 статей в наукових виданнях, затверджених ВАК України, та 7 публікацій в працях наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та п'яти додатків. Загальний обсяг дисертації складає 161 сторінку (з них 131 сторінка основного тексту), 46 рисунків, 19 таблиць і 5 додатків на 17 сторінках, список використаних джерел з 120 найменувань на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, зазначено наукову новизну та практичне значення результатів, які виносяться на захист.

У першому розділі досліджено процес аерозольного нанокаталізу як складний багатозв?язний об'єкт керування, здійснено аналіз методів та програмно-технічних засобів реалізації задач керування.

Для розробки методів керування процесом аерозольного нанокаталізу в якості продукту утилізації використовувався діхлоретан, як один з основних компонентів відходів виробництва вінілхлориду. Проведено декомпозицію процесу на основні підсистеми: стабілізації температури, змішування реагентів та вібрації. Виділено основні задачі автоматизації керування за рахунок регулювання температури, частоти вібрації, амплітуди коливань реактора, стехиометричного співвідношення реагентів в заданих межах, компенсації збурень з метою забезпечення максимального питомого виходу цільового продукту та повної відсутності хлору у вихідних продуктах. Структурну схему та взаємозв'язок основних параметрів процесу нанокаталізу наведено відповідно на рис. 1 та рис. 2.

В результаті експериментальних досліджень встановлені оптимальні значення змінних процесу аерозольного нанокаталізу для діхлоретану: температура (Т) 600°С, вібрація (f) 10-12 Гц, розхід реагентів (Р) у співвідношенні діхлоретану до кисню як 1 до 2,5, амплітуда коливань реактора 8•10^-3 м, що впливають на час контакту (ф), швидкість реакції (W), розмір наночасток (Рнч), концентрацію каталізатора (Скат).

Відзначено доцільність використання для автоматизованого керування процесом аерозольного нанокаталізу методу динамічного програмування, що дозволяє розбити загальну задачу керування технологічним процесом U⁽ⁱ⁾ (i=1,2,…n) на n задач, в кожній з яких визначається лише одна змінна керування.

Показано, що ефективність кожної підсистеми може бути оцінена скалярною величиною, заданою у вигляді функції від технологічних параметрів підсистеми та застосованого в ній керування. Сформульовано задачу знаходження оптимальної стратегії керування, яка максимізує функцію R_n.Загальна оцінка ефективності про

цесу в цілому визначена як адитивна функція результатів отриманих від кожної підсистеми:

R_n = , (1)

Де ri - оцінка оптимальності підсистеми;

хi - параметри підсистеми;

ui - оптимальне керування параметрами підсистеми.

Згідно з проведеною декомпозицією процесу зазначена необхідність створення відповідних каналів керування, за допомогою яких здійснюється вплив на стан процесу з використанням моделі наступного вигляду:

Y= F (X ,U), (2)

де F - функціональна залежність між вхідними X та вихідними параметрами Y, яка враховує керування U.

Визначено мету Z* та алгоритм ц функціонування програмно-логічного контролера, що має функціонувати в складі загальної системи автоматизації для забезпечення ефективного керування на основі інформації про стан процесу:

U= ц(X, Y, Z*) . (3)



У другому розділі проведено дослідження динаміки та розроблено математичну модель процесу аерозольного нанокаталізу, що базується на фізико-хімічних рівняннях кінетики процесу, теплового та матеріального балансу. Обмеженість теоретичних відомостей про об'єкт керування визначили доцільність проведення експериментально-аналітичного дослідження з метою побудови математичної моделі процесу аерозольного нанокаталізу. Для побудови математичного опису процесу аерозольного нанокаталізу доцільним є використання декомпозиції, тобто поділу об'єкту керування на підсистеми у відповідності з особливостями загальної технологічної схеми процесу.

Математичний опис процесу аерозольного нанокаталізу отримано з загальних рівнянь гідродинаміки для випадку змішування. Витрати компонентів, що подаються до реактору, обчислювались за формулою:

, (4)

Де Fпов. - витрати повітря (л/год);

FДХЕ. - витрати діхлоретан (л/год);

K1 - коефіцієнт наявності кисню в повітрі (K1= 0,2095);

Л - коефіцієнт стехиометричного співвідношення (л=1,0248).

Середній час перебування реагентів в реакторі розраховувався як:

. (5)

Час перебування реагентів в реакторі (ф, с), константа швидкості (k, с^-1), швидкість реакції по реагентам (W, г/(м³_р.о.·с) розраховувались згідно з рівняннями:



k=1/ф·ln(1/(1 - x_a)), (6)

W=C_0дхе·х_а/ ф . (7)

Для обробки експериментальних даних застосовано чисельний метод наближення функцій за допомогою інтерполяційних поліномів Лагранжа та Ньютона. Внаслідок обробки експериментальних даних отримано функціональний зв'язок швидкості реакції від частоти коливань реактора (рис. 3) та проведено дослідження впливу вібрації на процес нанокаталізу.

Проаналізовано модель коливального процесу, що дало змогу визначити діапазон зміни вібраційного впливу та обґрунтувати вибір частоти коливань реактора в межах 10-12 Гц для діхлоретану. Показано необхідність врахування вібраційного впливу, що характеризується амплітудою коливань та частотою вібрації реактора, як пріоритетного в каналах автоматизованого керування. Визначено структуру математичної моделі процесу аерозольного нанокаталізу, яка відображує основні фізико-хімічні властивості об`єкту керування (рис. 5).

У третьому розділі проведено вибір структури та методів автоматизованого керування процесом аерозольного нанокаталізу. Для досягнення глобальної мети автоматизованого керування - максимального питомого виходу продуктів при відсутності молекулярного хлору у вихідних продуктах, підсистеми загальної системи керування координуються робочою станцією, яка задає робочі режими процесу та ліквідує вплив факторів збурення. Процес аерозольного нанокаталізу як об'єкт керування представлено у вигляді підсистем (рис. 6). У відповідності з вимогами для керування температурою для процесу аерозольного нанокаталізу прийняті показники якості керування температурою. Визначена структура, доцільність застосування та проведена розробка цифрового ПІД-регулятора для одноконтурної підсистеми керування вихідною температурою реактору нанокаталізу. Згідно з отриманими на верхньому рівні системи автоматизації керування оптимальними значеннями основних технологічних параметрів формуються уставки для контурів динамічного цифрового керування на нижньому рівні. В замкнутій одноконтурній підсистемі керування температурою процесом аерозольного нанокаталізу керуючий вплив ліквідує відхилення вихідної величини від заданого значення.

В динамічному відношенні розроблений цифровий регулятор представляє собою паралельно з'єднані пропорційну, інтегральну та диференційну ланки (рис. 7).

Для перевірки автоматизації роботи підсистеми температури під керуванням цифрового ПІД-регулятора проведено розробку програмного забезпечення імітатора температури. При моделюванні температури час виходу процесу аерозольного нанокаталізу на номінальне значення температури (600°С) від початкового (20°С) склав 20 хвилин.

Характерною ознакою зниження якості керування є зменшення або втрата активності каталітичної системи. Алгоритм контролю характеристик каталітичної системи засновується на оцінці припустимих температурних режимів і кількісній оцінці якості самого каталізатора.

Для діагностичної функції введено функцію f?(x), визначену на інтервалі [0,1], яка характеризує ступінь порушення змінної, причому f?(x)=0, якщо значення змінної знаходиться у діапазоні нормальної роботи. Задача контролю параметрів зводиться до обчислення значення наступної функції:

f?(x)=1- f( x(t)), tG. (8)

Рішення багатокритеріальної задачі контролю параметрів в загальному випадку має наступний вигляд:

м(x(t))>min м(x_i(t)) tT , (9)

де м (x_i(t)) - часткові критерії на підмножині T.

Оптимальне значення м(x*(t) визначається як .

Функція належності, що характеризує ризик спікання каталізатора, була побудована у вигляді:

<T< T_L , (10)

Де TN- регламентне значення температури;

TL- максимально допустиме значення температури.

Функція належності для допустимих температурних режимів роботи каталізатора має вигляд:

м_N(T⁰)=1-м(T⁰) . (11)

Побудований згідно з (9) критерій є показником ступеню належності визначеного режиму роботи системи до підмножини допустимих або ефективних режимів.

Функція належності стану каталітичної підсистеми до різних рівнів запасів каталізатору має вигляд:

, (12)

Де Qk - поточна концентрація каталізатора;

- максимально допустима концентрація каталізатора.

Функція належності, отримана згідно з загальним рівнянням матеріального балансу по каталітичним характеристикам, має вигляд:

, (13)

Де - концентрація каталізатора на момент запуску;

- мінімальна концентрація каталізатора, при якій подальша експлуатація не є ефективною.

Глобальний критерій оцінювання запасів каталітичної системи отримано у вигляді:

м(p*(t)=min (м_N(T⁰), м_N (Q)= м_N(T⁰) . (14)

Розроблений метод організації контролю запасів каталізатора дозволяє доповнити контроль параметрів процесу аерозольного нанокаталізу з урахуванням впливу на процес збурень каталітичної системи.

Оперативну координацію роботи підсистем аерозольного нанокаталізу при суттєвому відхиленні вихідних параметрів від уставок проведено за допомогою матриці досяжності, яка будується на основі графу системи. При побудові алгоритму на основі графу системи з адитивними зв'язками підсистем та сітки змінних використано інформаційний критерій для обчислення функції переваги (мінімальних середніх витрат), що розбиває множину значень в підсистемі по критерію половинного ділення. Для реалізації задачі оптимізації режимів процесу аерозольного нанокаталізу на верхньому рівні системи автоматизації керування застосовано метод динамічного програмування, який дав можливість розбити задачу вибору оптимального керування u(ⁱ) (i=1,…, n) на n-задач, в кожній з яких вибирається тільки одне керування u(ⁱ). Метод динамічного програмування застосовано при рішенні задачі оптимізації процесу аерозольного нанокаталізу, яка представлена як процес прийняття рішення, тобто вибору керуючих уставок по сітці змінних для кожної підсистеми із деякого дискретного і кінцевого набору можливих керувань.

Запропонований алгоритм оптимізації має універсальну структуру і може бути використаний для оптимізації інших хіміко-технологічних процесів.

В четвертому розділі запропонована структурна схема модернізації виробництва вінілхлориду та проведено моделювання режимів роботи процесу аерозольного нанокаталізу з використанням програмно-технічних засобів (рис. 8).

Визначено склад модулів програмно-логічного контролера, програмних модулів, необхідних для реалізації задач автоматизації керування та програмного моделювання.

В системі реалізовано автоматичне та дистанційне керування виконавчими механізмами. В результаті моделювання отримано тренди динаміки зміни температури під дією цифрового ПІД-регулятора (рис. 10), зміни вихідних продуктів під дією вібрації (рис. 11).

Визначено перелік сигналів від датчиків та виконавчих пристроїв. Для керування виконавчими пристроями процесу аерозольного нанокаталізу в підсистемах подачі реагентів та вібрації використовуються дискретні імпульсні сигнали, які видає модуль формування дискретних сигналів програмно-логічного контролера. З метою діагностики роботи виконавчих пристроїв підсистеми реагентів розроблено програмний імітатор роботи крану. Для реалізації керування в алгоритмі імітатора запропоновано використати константу ходу виконавчого пристрою.

Для реалізації методів керування розроблені алгоритми та програмне забезпечення робочої станції та програмно-логічного контролера. Побудовані за результатами експериментів графіки (рис. 12, 13), підтвердили ефективність та адекватність запропонованої математичної моделі, алгоритмів та програмно- алгоритмічних модулів, що були використані під час експериментальних досліджень.

Проведений аналіз швидкодії системи з часом опитування датчиків 1 сек. для кожного значення параметру фільтру F в ланцюжку прийому аналогового сигналу, дозволили зробити висновок, що розроблені методи та алгоритми відповідають вимогам по якості регулювання для системи з похибкою виміру 0,1 %.

При застосуванні автоматизації реалізовані задачі багатозв'язного керування, що дали можливість збільшити ефективність процесу утилізації та повернути у виробничий цикл до 40% соляної кислоти та до 50% вуглекислого газу (на прикладі діхлоретану) від загального об'єму відходів виробництва вінілхлориду за рахунок попередження при порушенні обмежень по вхідним та вихідним змінним, підтримку змінних та впливів в стабільному заданому стані, попередження недопустимих змін керуючих впливів, переведення процесу в найбільш вигідний стан. Запропонована система автоматизації проектування схеми процесу використовує в якості інструменту графічний редактор PC-CAPS з пакету P-CAD фірми Altium.

У відповідності з загальноприйнятими концепціями автоматизації керування враховані модульність, ієрархічність, інформаційна сумісність форматів даних, що дозволяє використовувати програмно-логічні контролери різних виробників.

Для управління в режимі реального часу запропонована операційна система QNX з часом відгуку на відхилення 200 мс. Розроблене програмне забезпечення програмно-логічного контролера дозволило реалізувати видачу керуючих впливів для виконавчих механізмів в такті не більше 200 мс.

Результати, отримані внаслідок проведених досліджень, дали можливість підтвердити адекватність створеної математичної моделі, що відобразилась в застосуванні відповідних алгоритмів, програмно-алгоритмічних модулів, програмно-технічних засобів. Так по значенню константи перетворення х_а, що була отримана на експериментальній установці, в порівнянні зі значенням, отриманим в системі автоматизації керування процесом аерозольного нанокаталізу, відхилення склало 1%.

У додатках до дисертації наведено алгоритми роботи програмних модулів контролера, перелік аналогових та дискретних сигналів від датчиків процесу аерозольного нанокаталізу для розробки програмного забезпечення контролера, програмна реалізація модуля цифрового ПІД-регулятора, імітаторів температури та крану, алгоритм пошуку оптимальних режимів методом динамічного програмування, які використані в матеріалах досліджень, та акти про впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримано науково обґрунтовані результати, пов'язані з розробкою методів автоматизованого керування процесом аерозольного нанокаталізу в системах утилізації відходів хлорорганічного синтезу на основі застосування сучасних обчислювальних засобів. Проведені дослідження дозволили зробити наступні висновки.

1. Вперше розроблено систему автоматизації керування процесом аерозольного нанокаталізу для утилізації відходів хлорорганічного синтезу з застосуванням сучасних програмно-технічних засобів та операційної системи реального часу QNX, що дозволило підвищити ефективність процесу утилізації за рахунок підтримки параметрів на заданому рівні, забезпечити максимальний вихід продуктів утилізації та відсутність хлору у вихідних продуктах як одного з чинників забруднення навколишнього середовища.

2. Вперше виконано декомпозицію процесу аерозольного нанокаталізу на підсистеми, що дозволила провести дослідження їх впливу на кінцевий результат процесу утилізації та визначити оптимальний режим перебігу процесу.

3. Вперше розроблена математична модель процесу аерозольного нанокаталізу, яка базується на фізико-хімічних властивостях об`єкту керування, рівняннях кінетики, теплового та матеріального балансів, що дозволила провести дослідження параметрів та змінних процесу, моделювання в режимі реального часу.

4. Для реалізації задачі пошуку оптимальних режимів процесу аерозольного нанокаталізу запропоновано метод динамічного програмування з пошуком оптимального значення по сітці змінних.

5. Для компенсації збурень та експлуатаційних змін запропоновано метод адаптації та чіткої координації, що дав можливість зменшити час реакції системи при відхиленні параметрів.

6. Проведено дослідження та подальше обґрунтування вібраційного впливу на ефективність процесу аерозольного нанокаталізу. Запропоновано канал управління вібрацією враховувати як пріоритетний, оскільки він в найбільшій мірі впливає на кінцевий результат.

7. Результати дисертаційної роботи впроваджено в ТОВ “НВП ”Уніконт” (м. Сєвєродонецьк), що підтверджено відповідним актом. Використання запропонованої системи автоматизованого керування процесом аерозольного нанокаталізу для утилізації відходів хлорорганічного синтезу дозволило поліпшити ефективність функціонування технологічних підсистем: реалізувати видачу керуючих впливів в такті роботи системи 200 мс з похибкою виміру 0,1%, отримати до 40% соляної кислоти та до 50% вуглекислого газу від загального об'єму відходів виробництва вінілхлориду для повторного використання у виробничому циклі, повністю ліквідувати присутність хлору у вихідних продуктах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рязанцев А.И. Система экологического мониторинга окружающей среды / А.И. Рязанцев, В.С. Кардашук // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. -2006. - № 2(16). - C. 128-132.

2. Рязанцев А.И. Применение современных технологий при проектировании многоканальных блоков ввода-вывода для систем экологического мониторинга / А.И. Рязанцев, В.С. Кардашук // Системы контроля и управления технологическими процессами : сб. науч. статей. - Луганськ : Світлиця, 2006. - С. 258-265.

3. Рязанцев А.И. Методы повышения надежности передачи данных в сетях на базе интерфейса RS-485 / А.И. Рязанцев, В.С. Кардашук // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2007. - № 4(110). - Ч. 2. - С. 176-181.

4. Рязанцев А.И. Исследование влияния параметров линии связи на качество передачи данных в сетях интерфейса RS-485 / А.И. Рязанцев, В.С. Кардашук // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. -2007. - № 11(117). - Ч. 2. - С. 133-140.

5. Рязанцев А.И. Система управления на базе современных программно-технических средств процессами утилизации отходов химических производств по технологии нанокатализа / А.И Рязанцев, В.С. Кардашук // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2008. - № 8(126). - Ч. 1. - С. 318-326.

6. Рязанцев О.І. Побудова математичної моделі технологічного процесу аерозольного нанокаталізу у віброзрідженому шарі для організації керування / О.І. Рязанцев, В.С. Кардашук // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - № 6(136). - Ч. 1. - С. 274-279.

7. Рязанцев А.И. Математические методы исследования экспериментальных данных в системах управления процессами утилизации отходов химических производств по технологии нанокатализа / А.И. Рязанцев, В.С. Кардашук // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2009. - Ч. 1. - № 12(130). - С. 10-16.

8. Y. Mishtchenko. Computer-aided Simulation of computer units / Y. Mishtchenko, L. Yermolenko, V. Kardashuk // Матеріали ІХ міжнар. наук.-практ. конф. з проблем вищої школи «Університет і регіон». - Луганськ, 2004. - Ч. 1. - С. 225-226.

9. Рязанцев А.И. Программная реализация системы экологического мониторинга / А.И Рязанцев, В.С. Кардашук // Информационные технологии в научных исследованиях и учебном процессе: Труды ІІ междунар. науч.-практ. конф. - Луганск, 2006. - С. 182-187.

10. Кардашук В.С. Застосування сучасних технологій при проектуванні багатоканальних блоків вводу-виводу для систем екологічного моніторингу / В.С. Кардашук, О.І. Рязанцев // Технологія-2006 : Тези IX Всеукраїнської наук.-практ. конф. студентів, аспірантів та молодих вчених. - Сєвєродонецьк, 2006. - Ч. 2. - С. 29.

11. Кардашук В.С. Організація та підключення ліній зв'язку в мережі інтерфейсу RS-485 / В.С. Кардашук, О.І. Рязанцев // Технологія-2007 : Тези X Всеукраїнської наук.-практ. конф. студентів, аспірантів та молодих вчених. - Сєвєродонецьк, 2007. - Ч. 4. - С. 29.

12. Кардашук В.С. Двоканальний контролер мережі Arcnet/RS-485 / В.С. Кардашук , О.І. Рязанцев // Технологія-2008 : Тези XI Всеукраїнської наук.-практ. конф. студентів, аспірантів та молодих вчених з міжнар. участю. - Сєвєродонецьк, 2008. - С. 157.

13. Кардашук В.С. Керування технологічним процесом аерозольного нанокаталізу у віброзрідженому шарі в умовах стохастичної невизначеності / В.С. Кардашук // Стратегія якості в промисловості і освіті : Матеріали V міжнародної конф. - Варна, Болгарія, 2009. - Т. ІІ. - С. 567 - 569.

14. Кардашук В.С. Методи керування технологічним процесом знешкодження відходів хімічного виробництва / О.І. Рязанцев, В.С. Кардашук // Технологія-2009 : Тези ХІІ Всеукраїнської наук.-практ. конф. студентів, аспірантів та молодих вчених з міжнар. участю. - Сєвєродонецьк, 2009. - Ч. 2. - С. 81.

АНОТАЦІЇ

Кардашук В.С. Автоматизація керування процесом аерозольного нанокаталізу в системах утилізації відходів хлорорганічного синтезу. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація процесів керування. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2010 р.

В дисертаційній роботі вперше запропоновано систему автоматизації керування процесом аерозольного нанокаталізу для утилізації відходів хлорорганічного синтезу з застосуванням сучасних програмно-технічних засобів для підвищення ефективності процесу утилізації широкого спектру хлорорганічних відходів хімічного виробництва та збільшення виходу продуктів для подальшого синтезу. Розроблено математичну модель процесу та проведено його декомпозицію на підсистеми. Запропоновано структуру та методи реалізації дворівневої системи автоматизації керування процесом, що забезпечує в стаціонарному режимі максимальний питомий вихід продуктів утилізації, підтримку технологічних параметрів на заданому рівні та дозволяє здійснювати моніторинг процесу в реальному часі. Запропоновано методи компенсації збурень та координації контурів керування. Розроблено програмне забезпечення системи автоматизації та систему відображення, що дозволяє моделювати перебіг процесу в режимі реального часу.

Ключові слова: автоматизація керування, аерозольний нанокаталіз, декомпозиція, підсистема, математична модель, алгоритм, структура, програмно-технічні засоби.

Кардашук В.С. Автоматизация управления процессом аэрозольного нанокатализа в системах утилизации отходов хлорорганического синтеза. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация процессов управления. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2010 г.

В диссертационной работе впервые предложена система автоматизации управления процессом аэрозольного нанокатализа для утилизации отходов хлорорганического синтеза с применением современных программно-технических средств для повышения эффективности процесса утилизации широкого спектра хлорорганических отходов, увеличения выхода продуктов для дальнейшего синтеза. Проведена декомпозиция объекта управления на технологические подсистемы температуры, смешивания реагентов и вибрации. Определены основные задачи автоматизации управления за счет поддержания значения переменных - температуры, частоты вибрации, амплитуды колебаний реактора, стехиометрического соотношения реагентов в заданных пределах, компенсации возмущений. Определен экспериментально-аналитический метод исследования для построения математической модели процесса аэрозольного нанокатализа. На основании полученных данных составлены уравнения материального и теплового баланса, реагентов процесса. Вибрационное воздействие принято как приоритетный канал управления. Получило дальнейшее развитие исследование вибрационного воздействия на качество процесса утилизации хлорорганических отходов при производстве винилхлорида.

Для эффективного решения задачи функционирования системы автоматизации проведена разработка математических моделей подсистем процесса и методов для организации управления при отклонении параметров с целью организации работы в оптимальных режимах по энерготехнологическим и экономическим показателям.

Для переменных параметров процесса предложен метод адаптации и четкой координации. Для реализации задач оптимизации процесса предложен метод динамического программирования с поиском оптимальных значений по сетке переменных.

Предложена структура распределенной системы автоматизации управления. Для реализации функций управления определен состав программно-технических средств. Реализацию функций управления нижним уровнем осуществляет программно-логический контроллер. Координацию процесса в целом осуществляет рабочая станция, подключенная к программно-логическому контроллеру по сетевому интерфейсу Ethernet. Математическая модель, методы и алгоритмы использованы при разработке программного обеспечения функционирования системы автоматизации. В качестве системы функционирования использована операционная система реального времени QNX v.4.25 с графической оболочкой Photon microGUI.

Приведены результаты моделирования и практического применения результатов теоретических и экспериментальных исследований. Основные результаты получены на примере создания системы автоматизации управления процессом аэрозольного нанокатализа в системах утилизации отходов хлорорганического в производстве винилхлорида.

При разработке системы автоматизации использован объектно-ориентированный поход, что позволило использовать структуру инструментальной среды. В соответствии с общепринятыми концепциями автоматизации управления учтены модульность, иерархичность, информационная совместимость форматов данных, что позволила использовать программно-логические контроллеры разных производителей. Разработанная система визуализации проводит моделирование и отображение процесса с целью исследования его динамических характеристик путем изменения настроек параметров в режиме реального времени. Для сокращения времени на проектировку системы предложена система моделирования и отладки. Разработанная система автоматизации позволила возвратить в производственный цикл до 40% соляной кислоты и до 50% углекислого газа. Разработанное программное обеспечение позволило реализовать выдачу управляющих воздействий для исполнительных механизмов в такте работы системы 200 мс с ошибкой измерения параметров 0,1%.

Ключевые слова: автоматизация управления, аэрозольный нанокатализ, декомпозиция, подсистема, математическая модель, алгоритм, структура, программно-технические средства.

Kardashuk V.S. Automation control of process aerosol nanocatalysis in systems of utilization synthesis organic chlorine wastes. - Manuscript. A thesis for the competition of candidate's degree in science in specialty 05.13.07 - automation of control processes. Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkiv, 2010.

The thesis is devoted to studying and working out of automatic control tools for aerosol nanocatalysis for recycling organic chlorine synthesis using modern software and hardware tools for increasing the efficiency of utilization of a wide range of chlorinated organic wastes and the yield of products for further synthesis. There were determined the main tasks of automation control by maintaining the values of variables such as temperature, vibration frequency, amplitude of the reactor, the stoichiometric ratio of reagents in predetermined limits, disturbance compensation. The mathematical model of aerosol nanocatalysis was developed. To solve the problems of the optimization process a method of dynamic programming which based on the grid variables were proposed. The structure of distributed automation control system was proposed. To implement control functions was determined the composition of software and hardware. Offered mathematical models, methods, algorithms and structures were used during develop software for function of logical-program controller. Photon micro GUI - windowing system backed by the power of the QNX real-time OS was chosen as the functioning system.

Keywords: automation control, aerosol nanocatalysis, decomposition, subsystem, mathematical model, algorithm, structure, software and hardware.

Размещено на Allbest.ru