Структура материально-производственной системы предприятия

Рис. 1.9. Структурная (а) и операторная (б) схемы синтеза аммиака

Обозначения на рис.1.8

Специальные модели. Операторная схема. Если в структурной схеме все элементы обезличены, то в операторной каждый элемент представлен специальным обозначением, называемым "технологический оператор" (рис.1.10).

 

Рис. 1.10. Технологические  операторы:

а – химическое превращение; б –  массообмен; в – смешение; г –  разделение;            
д – теплообмен; е – сжатие, расширение; ж – изменение агрегатного состояния

 

Они помогают определить, какие преобразования происходят с  потоком в элементе. Такую схему  удобно использовать при автоматизированных расчетах на ЭВМ (рис. 1.9, б).

Математическая  модель (описание). Приведенные выше модели дают общее представление о ХТС. Для количественных выводов о ее функционировании необходимо иметь математическую модель, которая включает в себя модели элементов и модель связей между элементами.

Математическая модель процесса в элементе устанавливает  связь параметров выходных потоков k-то элемента и параметров, входящих в него потоков . В общем виде:

  ,              (1.3)

где F_k – математический оператор.

Связи в ХТС определяют, из какого элемента в какой передается поток. Уравнение связи в общем виде выглядит так:

      ,                  (1.4)

где , если между -м и k-м элементами нет связи; , если связь есть.

 

1.4. Структура системы управления химическим  
производством

 

 

Химическое производство с точки зрения организации управления является многоуровневой иерархической системой (см. раздел 1.3). Необходимо отметить, что объекты каждого уровня (ХТП, агрегат, отделение) имеют различное назначение, различную цель функционирования и соответственно различные показатели эффективности. Отсюда следует, что и управляющая подсистема объектом соответствующего уровня имеет специфические задачи.

Химическое производство состоит из множества взаимодействующих ХТП, распределенных в пространстве, т.е. в целом является многообъектным ТОУ. Следовательно, и система управления производством является многообъектной системой управления. Проблемы согласования взаимодействий между отдельными объектами и подсистемами, необходимость оперативного реагирования на меняющиеся внешние условия, многорежимность функционирования и противоречивость требований, предъявляемых к системе в целом, породили следующие  функциональные задачи: координации, оперативного управления и принятия решений.

Рассмотрим типовую функциональную иерархическую структуру системы управления производством (рис.1.11).

За счет наличия сложных  взаимосвязей между отдельными объектами, большой размерности переменных, характеризующих объект в целом, систему управления проектируют в виде иерархической системы, на каждом функциональном уровне которой средствами вычислительной техники решаются задачи управления определенного типа. Традиционно иерархическую систему управления изображают в виде структуры "треугольного" типа, в которой каждый структурный элемент объединяет информационные и управляющие функции.

       

Рис.1.11. Функциональная иерархическая  структура системы управления "треугольного" типа

 

Выделяют последовательно четыре иерархических уровня управления производственным процессом: локального регулирование (уровень САР), локальной оптимизации (уровень САУ), координации локальных систем оптимизации, оперативного управления и принятия решений.

Число уровней системы управления соответствует числу иерархических уровней производственного процесса (1.4.). Поскольку назначение и цели функционирования объектов разных уровней различны, то и задачи решаемые СУ на каждом уровне имеют свою специфику.

Рассмотрим задачи, решаемые на каждом уровне иерархии.

Уровень САР. На этом уровне решаются задачи локального автоматического регулирования (т.е. стабилизации) или программного изменения технологических параметров объекта в соответствии с уставками, задаваемыми на вышерасположенном уровне САУ; обнаружение и ликвидация аварийных ситуаций; сбор информации и передача ее на верхние уровни.

Уровень САУ. Предназначен для оптимизации функционирования подобъектов (агрегатов) в соответствии с локальными целями или критериями управления.

Уровень координации. На этом уровне осуществляется координированное, т.е. согласованное управление работой локальных оптимизаторов (предыдущий уровень) с целью достижения общей задачи функционирования всей системы в целом.

Уровень оперативного управления и принятия решений. Этот уровень содержит руководящий орган (коллектив специалистов, принимающих решение), обеспеченный ЭВМ для проведения расчетов возможных вариантов решения. Общие цели и задачи, стоящие перед системой, преобразуются в конкретные уставки для нижних уровней управления, происходит распределение ресурсов управления между отдельными подсистемами.

Особый интерес представляют варианты полной автоматизации функций  оперативного управления и принятия решений.

Масштабная  иерархическая структура системы управления предприятием представлена на рис.1.12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.12. Масштабная иерархическая  структура системы управления

 

Выделяют три ступени  иерархии в общей системе управления:  нижняя – СУ технологическими объектами (процесс, агрегат, группа агрегатов); средняя – СУ основным производством; верхняя – СУ предприятием.

Системы управления технологическими объектами являются нижней ступенью иерархии и называются местными системами управления. Под местными системами управления понимается совокупность алгоритмов, средств управления и обслуживающего персонала, имеющая отношение к оперативному управлению отдельными технологическими агрегатами (например, реактор, ректификационная колонна, теплообменник и т.п.) или группами агрегатов, до отделений и цехов. Местные системы управления характеризуются более тесной связью с объектом, наибольшей независимостью от других ступеней иерархии, наибольшей оперативностью контроля и управления.

Системы управления средней  ступени представляют собой совокупность отдельных устройств или участков нижней ступени, объединенных общностью технологического процесса и единством административно-технического руководства. Объектом управления в данном случае является основное производство, т.е. ряд технологических подразделений с полным производственным циклом, выпускающих заданную (товарную) продукцию.

Под верхней ступенью в системе управления понимают совокупность отдельных производственных единиц средней ступени, а также функциональных отделов управления, объединенных в единое целое общностью технико-экономического и административно-хозяйственного руководства.

Далее, в основном, нас  будут интересовать проблемы управления производством на нижних уровнях, т.е. управление технологическими процессами, узлами, агрегатами.

 

1.5. Задачи, методы и содержание анализа ХТП

как объектов управления

 

Известно, что основными задачами теории управления являются анализ и синтез систем управления [**]. В свою очередь, основная цель и задача синтеза СУ – это построение математической модели СУ, удовлетворяющей определенным требованиям к поведению (ковариантность, инвариантность, устойчивость и грубость) и обеспечивающей оптимальный режим функционирования объекта управления. При этом предполагается, что математическая модель неизменяемой части СУ – объекта управления – задана. Поэтому анализ ХТП как объекта управления проводится с целью создания математической модели ХТП и является первым этапом в решении общей задачи построения АСУТП.

Процессы, протекающие  в аппаратах химических производств, представляют собой сложное переплетение физико-химических явлений и эффектов, описываемых законами механики твердых тел, гидромеханики, теплообмена, термодинамики, массообмена, химической кинетики и др. Таким образом, аппарат химической технологии представляет собой сложную физико-химическую систему (ФХС). Анализ и исследование ФХС проводится методами математического моделирования.

Метод моделирования  широко применяется в науке и  технике. Сущность построения модели заключается  в том, что реальный физический объект (прообраз) упрощается и заменяется некоторым другим физическим или мысленным, абстрактным объектом (образом). В частности, теория управления технологическими системами при изучении процессов управления вместо реальных ФХС рассматривает их адекватные математические модели.

Модели ХТП условно  можно подразделить на концептуальные, физические и математические.

Концептуальная  модель представляет собой содержательное описание функционирования ХТП. Объекты моделирования описываются с позиций системного подхода. В этой модели в виде наглядного чертежа и словесного описания раскрывается сущность явлений и процессов, происходящих в исследуемой системе, устанавливаются взаимосвязи между технологическими параметрами. На основе концептуальной модели производят содержательную постановку задачи моделирования.

Физическая модель – это такая модель, в которой протекающие физические процессы идентичны природе процессов в исследуемом объекте. Изучение технологических процессов на модельных установках и анализ влияния физических параметров и линейных размеров аппарата на скорость протекания процессов лежат в основе физического моделирования.

Математическая  модель – это формализованное описание объекта в виде формул, алгебраических и дифференциальных уравнений, неравенств и т.д. описывающих процессы и явления, протекающие в объекте.

Таким образом, исследование (анализ) ХТП как объектов автоматизации  и управления проводится путем построения моделей, изучения их свойств и переноса полученных сведений и знаний на моделируемые объекты.

Рассмотрим основные этапы анализа химико-технологических процессов как объектов автоматизации и управления.

 

1.5.1. Разработка концептуальной модели и формулировка критерия  
эффективности ХТП

 

Основной целью разработки концептуальной модели является установление (выявление) и содержательное описание взаимосвязей между явлениями и элементарными процессами, протекающими в объекте. Каждое такое явление представляется как элемент сложной ФХС. Рассматривают возможные состояния элементов, существенные характеристики этих состояний, влияние значений одних характеристик (параметров) на другие и т.п. Таким образом, формируется исходная естественно-научная концепция исследуемого объекта.

Содержательное описание ХТП является основой для последующей формализации объекта и разработки математической модели. Поэтому необходимо обстоятельное изучение моделируемого объекта, т.к. без достаточно полного содержательного базиса математическая модель зачастую оказывается непригодной к использованию.

Прежде всего, исходя из общих задач производства (или ХТС), формулируется назначение исследуемого ХТП и цель его функционирования. Задается цель в форме требований к показателям результативности, ресурсоемкости, оперативности функционирования ХТП, либо к траектории достижения заданного результата. Как правило, цель для исследуемого ХТП, определяется старшей системой, а именно ХТС.

На основе содержательного анализа  определяется исходное множество характеристик  ХТП – конструктивных и технологических  параметров, и выделяются наиболее существенные. В виду того, что численные значения технологических параметров в процессе функционирования ХТП изменяются во времени, их называют переменными.

Все технологические параметры  подразделяются на две группы:            
1) параметры (переменные) состояния и 2) входные параметры (переменные).

В качестве переменных состояния  выбирают те технологические параметры, которые в наибольшей степени отражают назначение ХТП и цель его функционирования. Обычно это физико-химические параметры выходных потоков и параметры, характеризующие количество вещества и энергии в аппарате. Среди подмножества переменных состояния выделяют подгруппу выходных (регулируемых) переменных – это переменные, которые измеряются и регулируются. Их изменение свидетельствует о нарушении теплового и материального балансов в аппарате. К ним относятся: уровень жидкости в аппарате – характеризует материальный баланс по жидкой фазе; давление – показатель баланса по газовой фазе; температура – показатель теплового баланса; концентрация – показатель материального баланса по компоненту.

Вторая группа – входные  переменные – это технологические  параметры, изменение которых приводит к изменению состояния, т.е. к изменению  значений переменных состояния. Входные переменные влияют на ход технологического процесса. К данной группе относятся параметры, характеризующие приход количества вещества и энергии в аппарат или их расход. Значения входных переменных не зависят от условий функционирования объекта, а определяют его работу. Изменение входных переменных приводит к изменению количества вещества и энергии в аппарате, т.е. к изменению состояния объекта.

Среди входных переменных выделяют подгруппу регулирующих (управляющих) переменных. Это переменные целенаправленно изменяемые по определенным законам системой регулирования (управления). Все остальные входные переменные, изменения которых отражают влияние на исследуемый объект внешней среды или предшествующих стадий, называют возмущениями. В свою очередь, возмущения могут быть контролируемыми и неконтролируемыми, детерминированными и случайными. Изменения случайных возмущающих переменных стихийны и оказывают дестабилизирующее влияние на ход технологического процесса.