Программное обеспечение для контроллера Siemens процесса разогрева нефтепродукта

И.Г. Резков,
н.с., к.т.н., rezkov@ipu.ru,
ИПУ РАН, г. Москва

Рассматривается программный блок для автоматической настройки адаптивного ПИ-регулятора, регулирующий температуру мазута в составе системы разогрева и слива нефтепродуктов. Приведены основные результаты внедрения рассмотренного блока.

We consider the program unit for automatically adjusting the adaptive PI controller that regulates the temperature of the oil as a part of the heating and discharge system of petroleum products. The main results of the implementation of the considered unit are given.

Введение

Рассматривается процесс разгрузки высоковязких и высокозастывающих продуктов (нефтепродукты, патоки, жиры и т.д.) из емкостей для хранения и транспортирования. Для сокращения времени разгрузки емкости и обеспечения полноты слива необходимо повысить текучесть продукта. Существуют различные способы повышения текучести продукта, среди которых: растворение вязкого или застывшего продукта жидким маловязким растворителем, добавление депрессанта, снижающего температуру застывания продукта и т.д. В России, например, наибольшее распространение для слива вязких нефтей и нефтепродуктов из цистерн получил подогрев насыщенным водяным паром, подаваемым непосредственно в нефтепродукт. Однако этот способ не только малоэффективен и вреден для окружающей среды, но и снижает коммерческое качество самих нефтепродуктов.

Известны технологии разогрева и слива продукта без смешения его с теплоносителем, основанные на разогреве продукта, отбираемого из емкости, во внешнем теплообменнике, где разогреваемый продукт не находится в непосредственном контакте с теплоносителем, и возврате разогретого продукта в ёмкость, где разогретый продукт должен передать тепло холодному, плохо текучему продукту в ёмкости. Для нагрева мазута используется способ, при котором продукт в смеси с предварительно нагретым в стартовой ёмкости аналогичным продуктом отбирают из донной части ёмкости, пропускают эту смесь через внешний теплообменник, где её нагревают до заданной температуры, и возвращают нагретый продукт в ту же ёмкость по двум трубопроводам на вход в канал отбора холодного продукта из донной части. Структурная схема системы показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема системы

Для регулирования температуры мазута на выходе из теплообменника часто используется ПИД-регулятор, управляющий заслонкой теплообменника. Сложность задачи, в частности, состоит в том, что объект регулирования обладает нелинейностями, и стандартные алгоритмы и основанные на них программы [1] в данном случае не срабатывают.

Кроме того, объект обладает нестационарностью. По мере разогрева мазута значительно меняется коэффициент усиления объекта и в меньшей степени его динамика. На рис. 2 показаны экспериментальные разгонные характеристики объекта, снятые при температуре тёплого мазута около 30 градусов и горячего более 50 градусов. Видно, что с повышением температуры увеличивается коэффициент усиления объекта. Данное явление необходимо учитывать в алгоритме регулятора.

Рис. 2. Разгонные характеристики процесса при разной температуре мазута

Для решения задачи разработан адаптивный регулятор, основанный на приближённой модели объекта.

1. Модель процесса

Для синтеза закона управления разработана модель процесса, в изображениях по Лапласу имеющая вид

(1)

где , - постоянные времени теплообменника, - измеряемая температура на выходе из теплообменника, - неизмеряемая температура в цистерне, - управление, - комплексная переменная, - коэффициент усиления как функция температуры, имеющая линейный вид

(2)

здесь , - пропорциональный коэффициент характеристики.

Динамика цистерны описывается выражением

(3)

где - начальная температура цистерны, - постоянная времени.

Задача регулирования состоит в поддержании заданной температуры на выходе теплообменника

(4)

2. Алгоритм регулирования

Идея регулятора состоит в оценке переменной с помощью наблюдателя и предварительном определении функции , и тогда закон регулирования запишется как

(5)

где формируется ПИ-регулятором, компенсирующем прочие неучтённые нелинейности процесса:

(6)

Для настройки регулятора используется метод конечно-частотной идентификации [2], а для синтеза регулятора – метод внутренней модели [3]. Для проверки разработанных алгоритмов было проведено моделирование:

Рис. 3. Процесс регулирования с адаптивным регулятором

На верхнем графике показан выход объекта и сигнал управления, постепенно уменьшающийся по амплитуде по мере разогрева мазута в цистерне. На среднем графике показаны температура мазута в цистерне и её оценка, получаемая с помощью наблюдателя; на нижнем – оценка коэффициента усиления объекта.

Выводы

Применение адаптивного регулятора позволяет избавиться от необходимости периодически перестраивать ПИД-регулятор при смене режимов в системе разогрева нефтепродукта (сезонные изменения и т.д.), а также повышает эффективность работы системы регулирования, т.к. позволяет избавиться от автоколебаний по мере прогрева объекта и увеличения его коэффициента усиления.

Литература

1. Pfeiffer, B.-M. Towards „plug and control‟: self-tuning temperature controller for PLC / B.-M. Pfeiffer // International Journal of Adaptive Control and Signal Processing. – 2000. – Vol. 14. – №. – P. 519-532.

2. Александров, А.Г. Частотное адаптивное управление устойчивым объектом при неизвестном ограниченном возмущении / А.Г. Александров // Автоматика и телемеханика. – 2000. – № 4. – С. 106-116.

3. Visioli, A. Improving the load disturbance rejection performance of IMC-tuned PID Controllers / A. Visioli // 15th Triennial World Congress, Barcelona, Spain. – IFAC. – 2002. – P. 27-34.